Brevet FR2664979A1 — publié le 19920124

MICRO-CAPEUR DE PRESSION La présente invention concerne un micro-capteur de pression à membrane et poutre vibrante et plus particulièrement un tel micro-capteur dont les éléments sensibles sont essentiel- lement constitués en tirant partie des techniques de gravure du silicium développées ces dernières années pour la fabrication des corposants semiconducteurs. Des capteurs de oe type sont connus dans la technique mais présentent génralement divers inconivénients Notanent, ils sont souvent difficiles à fabriquer et à Onnecter. Ainsi, un objet de la présente invention est de prévoir une nouvelle structure de micro-capteur de pression à éléments actifs en silicium. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une telle structure qui soit particulièrement simple à fabriquer. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une telle structure dans lequel 1 'a nirt des connexions entre la ou les parties actives et l'extérieur soit particuliè- rement simple. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un micro-capteur de pression comprenant entre deux plaquet- tes de matériau isolant: une plaquette de silicium inférieure formant embase; une plaquette de silicium nmédiane constituant une membrane entourée d'un cadre, une première partie d'un plot étant formé en un emplacement décentré de la membrane; et une plaquette de silicium supérieure comnprenant un cadre correspon- dant à celui de la plaquette médiane, une deuxième partie dudit plot et une lame de silicium constituant un résonateur reliant le haut du plot à une région haute du cadre Un intervalle de mesure est ménagé entre la membrane et la plaquette inférieure, cet intervalle comprenant un accs, et les deux plaquettes isolantes oopèrent avec la périphérie des trois plaquettes de silicium assemblées pour définir une enceinte fermée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les plaquettes de silicium comprennent chacune un cadre extérieur relié à leur partie centrale par un pied, les plaquettes isolan- tes venant enfermer les plaquettes de silicium au niveau du cadre extérieur tout en nménageant entre ces plaquettes isolantes et l'ensemble des plaquettes de silicium un espaoe libre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, il est prévu deux lames formant résonateur entre le plot et des parties distinctes du cadre pour permettr Le la formation d'un montage différentiel. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le plot est disposé dans la partie centrale de la membrane selon une première direction et au tiers de la longueur de la membrane selon une deuxième direction ortgonale à la première. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le plot est relié au cadre, au niveau de la plaquette de silicium médiane, par une surépaisseur de la membrane formant charnière. Selon un mode de réalisation de la présente invention, des électrodes d'excitation et de détection sont formées sur la face inférieure de la plaquette de matériau isolant supérieure en regard de ladite lame de silicium formant un résonateur et sont conformées pour exciter cette lame dans le sens transverse. Un premier avantage de la présente invention réside dans sa simplicité de fabrication qui résulte du fait que la structure en silicium est constituée de trois plaquettes qui peuvent être fabriquées et découpées séparément Une fois assemn- blées par des procédés de soudure de silicium sur silicium, l'assemblage des trois plaquettes se conporte comme une structure monolithique. Un autre avantage de la présente invention, lié à sa fabrication à partir de trois plaquettes de silicium, réside dans le fait qu'il n'est pas rncessaire de prévoir des zones de sili- cium surdopées pour définir des points d'arrêt d'attaque Il en résulte que la structure finale, ne comprenant pas de région de silicium dopé est plus stable mécaniquement. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 représente une vue en coupe scheatique d'un mode de réalisation d'un micro-capteur de pression selon la présente invention; la figure 2 représente une vue en perspective de l'assemblage de deux des plaquettes du capteur de la figure 1; les figures 3 A, 3 B, 3 C représentent, en perspective, chacune des trois plaquettes de silicium; la figure 4 représente une vue en coupe simplifiée de deux des plaquettes correspondant au mode de réalisation de la figure 2; la figure 5 représente une vue en coupe simplifiée d'une variante de la structure illustrée en figure 4; la figure 6 représente une vue en perspective d'une variante de réalisation de la structure représentée en figure 2; la figure 7 est un graphique illustrant la différence de sensibilité entre les modes de réalisation des figures 2 et 6; et les figures 8 A et 8 B sont une vue de dessous et une vue en coupe partielle illustrant un mode de réalisation de structure d'électrodes. On notera que oes figures sont schématiques et ne sont pas tracées à l'échelle, ayant uniquement pour but de faire cmprendre la présente invention. Cauoe le représente la vue en coupe de la figure 1, le micro-capteur selon la présente invention conprend trois plaquet- tes de silicium 1, 2 et 3 prises en sandwich entre deux pla- quettes d'un matériau isolant, ourament du verre 4 et 5 Ces plaquettes sont assemblées par des techniques classiques de soudure silicium/silicium et verre/silicium, par exemple par soudure arnodique. La figure 2 représente une vue en perspective des plaquettes 1 et 2 assemblées. La plaquette 2 oa porte une membrarne mince 11 entourée d'un cadre 12 La deuxième et la troisième plaquette de silicium délimitent entre elles une première enceinte 13 susceptible de ommuniquer avec la pression à mesurer par une ouverture 14 ména- gée dans la troisième plaquette de silicium et dans la deuxième plaquette de verre Ainsi, en fonction de la pression appliquée à l'enceinte 13 la membrane 11 se déforme Cette maembrane 11 porte, de fa on décentrée, une première partie 15 d'un plot La première plaquette 1 porte une deuxième partie 16 complémentaire du plot et comporte un cadre 17 complémentaire du cadre 12 L'élément détecteur de ce capteur de pression cnsiste en une lame de sili- cium 18 fornme dans la première plaquette et s'étendant du plot au cadre de la façon illustrée. Ainsi, quand la membrane 11 se déforme sous l'effet d'une pression appliquée, le plot s'incline et la tension de la lame 18 varie Cette lame 18 constitue une poutre vibrante ou résonateur qui peut être excité en vibration par un champ alter- natif appliqué sur une première électrode 20 forme sur la pla- quette de verre supérieure 4 et dont la fréqueoe propre de vibration peut être détectée par une deuxième électrode 21 formuée sur la plaquette 4 Cette fréquence propre constitue une image de la contrainte appliquée à la poutre et donc de la pression à mesurer Une troisième électrode 22 permet de fixer le potentiel de la poutre vibrante 18. Selon un aspect de la présente invention, et comme le représentent les figures 2 et 3, chacune des plaquettes 1, 2 et 3 comprend un cadre extérieur 25-1, 25-2, 25-3, relié à la partie centrale de la plaquette par un pied 26-1, 26-2, 26-3 Les pla- quettes de verre 4 et 5 viennent prendre appui sur le cadre externe d'o il résulte que la partie centrale des trois pla- quettes 1, 2 et 3, orrespoxdant à la partie active du capteur ne présente pas de liaison mécanique directe avec les plaquettes de verre ce qui confère au capteur une imuunité par rapport aux vibrations externes ainsi qu'une iimunité par rapport aux phéno- mènes de dilatation différentielle entre le silicium et le verre résultant de variations thermiques. Les plaquettes de verre 4 et 5 et les cadres exté- rieures 25 des plaquettes de silicium 1,2 et 3 délimitent une enceinte mise sous atmosphère contrôlée. Les figures 3 A, 3 B et 3 C représentent une vue explosée des trois plaquettes de silicium 1, 2 et 3. Les plaquettes 1 et 2 des figures 3 A et 3 B ont déjà été décrites en détail précédemment La plaquette 3, illustrée en figure 3 C coaprend une région centrale 27 dont la périphérie orrespond à celle des cadres 12 et 17 des figures 3 A et 3 B Dans le mode de réalisation de la figure 3 C, la face supérieure de cette région centrale 27 est plane Cela suppose que la mem- brane 11 de la figure 3 B est leégrement en retrait par rapport à la surface inférieure du cadre 12 pour laisser la place à l'enceinte 13 indiquée en figure 1 Dans une autre réalisation, on pourrait prévoir que la partie centrale de la région 27 est partiellement évidée En outre, la figure 3 C représente un canal 28 obtenu par gravure anisotrope du silicium, permettant de faire comuniquer le trou d'accès 14 à l'enceinte 13. A titre d'exemnple non limitatif, on pourrait prévoir un capteur ayant les dimensions suivantes: Epaisseur des plaques 1, 2, 3 0,3 mm Epaisseur des plaques 4 et 5 0,5 mm Epaisseur de la lame 18: 0,02-0,04 mm Epaisseur de la membrane 11: 0,03-0,06 mm Lcrgueur de lame 18: 0,8-2 mm Dimension de la nmembrane 2 x 2 mm 2 Fréquee de vibration: 30 à 200 k Hz. La figure 4 représente une vue en ooupe agrarndie et très schématique de l'ensemble des plaquettes 1 et 2, sans le pied 26 et le cadre externe 25 On note que le plot 15 se trouve à peu près au tiers de la dimiension longitudinale de la membrane, et à peu près au centre de la dimension transversale de cette membrane. La figure 5 illustre, selon le mnme mode de représen- tation que oelui de la figure 4, une variante de réalisation de la présente invention permettant d'obtenir un capteur différen- tiel La partie de la figure 5 située à la droite du plot 15-16 est identique à la figure 4 Dans la partie gauche, le cadre 12 de la plaquette 2 est élargi vers l'extérieur et surmonté à sa partie externe du cadre 17 qui est également relié au plot 16 par une deuxième lame de silicium formant resonateur 18-2 Les lames 18 et 18-2 auront par exemple de mêmes longueurs Ainsi, quand le plot se déplaoe, les poutres vibrantes 18 et 18-2 sont soumises à des efforts contraires et, en mesurant la différence entre les deux fréquences de résonarae des deux poutres, on s'affranchit d'éventuelles erreurs dues aux dérives de fréquee à pression nulle de chaque poutre Ces dérives ont pour origine toutes les influernes externes au microcapteur (température, accélération, etc) Bien entendu, la plaquette supérieure 4 comprendra des électrodes propres à exciter et à détecter les vibrations de la poutre 18-2 en plus des électrodes associées à la poutre 18. La figure 6 illustre une autre variante de la présente invention Cette figure représente les lames supérieure 1 et médiane 2 dans un mode de représentation similaire à celui de la figure 2 sauf que le cadre externe 25 n'a pas été représenté La différence principale entre le mode de réalisation de la figure 6 et celui de la figure 2 réside dans le fait que la partie infé- rieure 15 du plot faisant partie de la plaquette 2 est reliée, perpendiculairement à la direction de la poutre vibrante 18, au cadre 12 par l'intermédiaire de charnières 30 Ainsi, quand la membrane 11 est déformée par l'application d'une pression, le plot 15-16 se déplaoe seulement en rotation par rapport à la charnière 30 et non pas dans une direction orthogonale au plan de la membrane. L'expérience montre qu'il résulte de la présenos des charnières une moindre dépexndance entre la sensibilité du capteur et l'épaisseur de la membrane Ainsi, la sensibilité du capteur dans la variante illustrée en figure 6 permet de s'affranchibr de certains paramètres de fabrication. La figure 7 illustre cette caractéristique Dans oette figure, les abcisses représentent des épaisseurs de membrane (e) en micrcmètres et les ordonnées une sensibilité (S) dans une échelle arbitraire On voit que, dans la plage d'épaisseurs de membrane allant de 10 à 60 micramètres, la sensibilité varie d'un facteur i/portant dans le cas o il n'y a pas de charnière (courbe A) et d'un facteur beaucoup plus faible dans le cas de la figure 6 o il y a des charnières (courbe B). Les figures 8 A et 8 B sont destinées à illustrer un mode de réalisation de la présente invention relatif à l'excitation de la poutre vibrante 18 En effet, on constate que la sensibilité du dispositif et notamment l'obtention d'un bon déoeuplage entre le résonateur et les autres éléments du capteur est meilleur si la poutre 18, au lieu de vibrer dans un plan ortl Konal à la membrane, vibre dans un plan transversal, parallèle au plan de la membrane Pour cela, on pourra donner aux électrodes 20 et 21 formées sur la plaquette de verre supérieure 4 la forme illustrée en figure 8 A qui provoque une vibration transverse. La figure 8 B est une vue en coupe selon la ligne B-B de la figure 8 A En figure 8 A, la référence 23 désigne une métal- lisation formée sur le cadre 17, le pied 26-1 et le cadre 25-1 destinre à établir un meilleur contact vers la traversée de reprise de contact 22 illustrée en figure 1 Dans la poutre, la conduction sera assurée par la conductivité du silicium lui- même On peut toutefois prévoir une métallisation supplémentaire bien que cela soit susceptible d'affeter le fonctionnement du dispositif On notera que le fait que la lame 18 se termine sur le cadre (et non sur un deuxième plot) facilite sa connexion. La fabrication d'une structure telle que décrite précé- demment, et notamment la gravure des plaquettes 1, 2 et 3, uti- lise des procédés classiques de fabrication de cxmposants semi- conducteurs Les gravures seront classiquement réalisées par des procédés de photolithographie et d'attaque chimique Les formes relativement simples du capteur selon l'invention n'entraînent pas de difficultés particulières. L'homme de l'art notera que la présente invention pour- ra tirer partie de procédés collectifs de fabrication, chacune des plaquettes 1, 2 et 3 faisant partie d'une tranche de silicium comprenant un grand nombre de plaquettes identiques. La présente invention est bien entendu susceptible de diverses variantes de fabrication et de structures qui apparai- tront à l'homme de l'art Notamment la forme du résonateur pourra être plus complexe qu'une simple lame Par exemple, ce résonateur pourra présenter des ailes orthoxgoales et vibrer en torsion, des électrodes adaptées étant prévues Il peut aussi être de dimen- sion supérieure à la membrane en décalant le point d'attache sur le cadre On peut aussi optimiser la forme du dispositif pour différentes gamnes de pression. La détection de la vibration du résonateur pourra être réalisée par des moyens autres que capacitifs, par exemple en plaçant une jauge de contrainte au voisinage de la région d'ercastrement de la poutre dans le cadre. L'excitation de la poutre pourra être réalisée par d'autres nxmoyens tels que des forces électromagnétiques, en dépo- sant un conducteur sur la poutre, des forces piézoélectriques, en déposant un matériau piézoélectrique sur une partie de la poutre,5 ou encoxre par des procédés d'excitation thermique. REVENDICATIONS 1 Micro-capteur de pression caractérisé en ce qu'il comprend entre deux plaquettes de matériau isolant: une plaquette de silicium inférieure ( 3) formant eibase, une plaquette de silicium médiane ( 2) constituant une menbrane ( 11) entourée d'un cadre ( 12), une première partie ( 15) d'un plot étant formée en un emplacement décentré de la membrane, une plaquette de silicium supérieure ( 1) comprenant un cadre ( 17) correspoxant à celui de la plaquette médiane, une deuxième partie ( 16) dudit plot et une lame de silicium ( 18) constituant un résonateur reliant le haut du plot à une région haute du cadre, dans lequel un intervalle de mesure ( 13) est ménagé entre la membrane et la plaquette inférieure, cet intervalle comprenant un accès ( 14, 28), et dans lequel les deux plaquettes isolantes ( 4,5) coopèrent avec la périphérie des trois plaquettes de sili- cium assemblées pour définir une enceinte fermée. 2 Micro-capteur selon la reverxication 1, caractérisé en ce que les plaquettes de silicium comprennent chacune un cadre extérieur ( 25) relié à leur partie centrale par un pied ( 26), lesdites plaquettes isolantes venant enfermer les plaquettes de silicium au niveau dudit cadre extérieur tout en ménageant entre ces plaquettes isolantes et l'ensemble des plaquettes de silicium un espace libre. 3 Micro-capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend deux lames ( 18, 18-2) formant résonateur entre le plot et des parties distinctes du cadre pour permettre la formation d'un montage différentiel. 4 Micro-capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le plot est disposé dans la partie oentrale de la membrane selon une première direction et au tiers de la longueur de la menbrane selon une deuxième direction orthgonale à la première. il Micro-capteur selon la revendication 1, caractérisé en oe que le plot est relié au cadre, au niveau de la plaquette de silicium médiane, par une surépaisseur de la membrane formant charnière ( 30). 6 Micro-capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que des électrodes d'excitation et de détection sont formées sur la face inférieure de la plaquette de matériau iso- lant supérieure en regard de ladite lame de silicium formant un résonateur et sont conformées pour exciter oette lame dans le sens transverse.