Brevet FR2664745A1 — publié le 19920117

i Convertisseur thermoélectrique et procédé pour sa fabrication La présente invention concerne un convertisseur thermo- électrique, comportant une multiplicité de thermocouples montés en sé- rie et constitués d'un premier et d'un second matériau conducteur dis- posés sur un substrat; l'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel convertisseur. De tels convertisseurs conviennent par exemple pour mesurer des différences de température, ainsi que d'autres grandeurs pouvant être converties en une différence de température. On connaît un convertisseur thermoélectrique de ce type (demande de brevet allemand DE-A 37 07 631), dans lequel une multiplicité de thermocouples sont disposés de manière plane, en montage en série, sur un substrat monolithique. On sait en outre par le brevet allemand DE-C 25 53 672 qu'on peut détecter un rayonnement infrarouge à l'aide d'un thermocouple, et on connaît par la demande de brevet allemand DE-A 38 39 414 ce qu'on appelle un pellistor plan, dans lequel une couche de catalyseur est appliquée sur une des résistances de mesure de température disposées dans un pont de Wheatstone On connaît par la demande de brevet al- lemand DE-A 35 19 397 des catalyseurs pour différentes fins. La présente invention a pour but d'améliorer la sensibilité d'un tel convertisseur, destiné à être utilisé comce capteur. Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que des points de jonction d'un premier type, présentant la succession premier/second matériau conducteur dans une direction de référence, sont disposés dans un premier plan, et que des points de jonction d'un second type, présentant la succession second/premier matériau conducteur dans la direction de référence, sont disposés dans un second plan Selon une caractéristique supplémentaire, la distance entre le premier plan et le second plan est de 5 à 20 pm Selon une configuration supplémen- taire, une substance absorbant la lumière infrarouge est disposée à la surface des points de jonction d'un des deux types Selon une autre configuration supplémentaire, un catalyseur pour une réaction chimique est disposé à la surface des points de jonction d'un des deux types. Dans tous ces cas, une configuration supplémentaire de l'invention prévoit de disposer un dispositif de chauffage sur l'une des surfaces du substrat. L'invention indique également un procédé de fabrication de l'objet de l'invention, procédé qui est caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes successives consistant à réaliser par photo- lithographie une structure de creux dans une couche à structure façon- nable appliquée sur un substrat, de sorte qu'apparaissent des blocs individuels de la substance à structure façonnable, à métalliser en oblique, sous un premier angle, une multiplicité de bandes de pel- licule d'un premier matériau conducteur, et à métalliser en oblique, sous un second angle, une multiplicité de bandes de pellicule d'un se- cond matériau conducteur Selon des configurations supplémentaires avantageuses, le procédé selon l'invention peut comprendre les étapes consécutives consistant à déposer par pulvérisation cathodique une couche de dioxyde de silicium; à éliminer les blocs de la substance à structure façonnable; et enfin à métalliser en oblique, sous un troi- sième angle, soit une couche de matériau absorbant la lumière infra- rouge, soit une couche d'un catalyseur pour une réaction chimique. Le convertisseur thermoélectrique selon l'invention peut être utilisé pour mesurer le transfert de chaleur perpendiculairement au plan du substrat, ou pour mesurer un rayonnement infrarouge, ou pour mesurer la concentration de substances chimiques, ou pour mesurer la vitesse d'écoulement de gaz ou de liquides. L'exposé qui suit décrit plus en détails des exemples de réali- sation de l'invention à l'aide des dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente un agencement d'une multiplicité de thermocouples, la figure 2 représente des détails d'un tel agencement, les figures 3 a à 3 e représentent des étapes du procédé de fabri- cation, la figure 4 représente un capteur pour mesurer un rayonnement infrarouge, et la figure 5 représente un capteur pour mesurer les vitesses d'écoulement de gaz ou de liquides. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une bande de pellicule d'un premier matériau conducteur, et la référence 2 une bande de pel- licule d'un second matériau conducteur Ces bandes de pellicule 1,2 sont coudées deux fois en directions opposées, chaque fois à environ Chaque bande de pellicule 1,2 est ainsi constituée d'une première branche la,2 a (figure 2), d'une partie centrale lb,2 b et d'une seconde branche lc,2 c, les premières branches la,2 a et les secondes branches lc,2 c étant parallèles et les parties centrales lb,2 b étant approxima- tivement perpendiculaires aux branches La bande de pellicule 1 du premier matériau conducteur et la bande de pellicule 2 du second maté- riau conducteur sont agencées de telle sorte (figure 1) que la seconde branche lc de premier matériau conducteur est directement reliée en conduction à la seconde branche 2 c de second matériau conducteur de la bande de pellicule 2 immédiatement consécutive, et constitue ainsi un point de jonction 3 d'un premier type, tandis que la première branche 2 a de second matériau conducteur est directement reliée en conduction à la première branche la de la bande de pellicule 1 consécutive de premier matériau conducteur, et constitue ainsi un point de jonction 4 d'un second type Tous les points de jonction 3 du premier type se trouvent dans un premier plan 5, et tous les points de jonction 4 du second type se trouvent dans un second plan 6. Une multiplicité de bandes de pellicule 1 du premier matériau conducteur et de bandes de pellicule 2 du second matériau conducteur se succèdent ainsi dans une direction de référence R Dans cette di- rection de référence R, les points de jonction 3 du premier type sont caractérisés par la succession premier/second matériau conducteur, et les points de jonction 4 du second type par la succession se- cond/premier matériau conducteur La direction de référence R est re- présentée sur la figure 1 comme étant une droite, mais elle peut aussi être considérée comme une courbe, qui suit l'allure effective des bandes de pellicule successives 1, 2, 1, 2, 1, et ainsi de suite. Les bandes de pellicule 1 sont constituées de préférence de bis- muth, mais pourraient aussi être réalisées, par exemple, en silicium, en nickel ou en chrome Les bandes de pellicule 2 sont constituées de préférence d'antimoine, mais pourraient aussi être réalisées, par exemple, en germanium, en aluminium, en cuivre ou en nickel Chaque ban- de de pellicule 1 constitue un thermocouple avec la bande de pellicule 2 voisine Des thermocouples adéquats sont les combinaisons de maté- riaux bismuth/antimoine, silicium/germanium, silicium/aluminium, nickel/ cuivre et chrome/nickel Des alliages de ces substances conviennent également, par exemple des alliages de bismuth et d'antimoine avec du sélénium et du tellure. Un convertisseur thermoélectrique est constitué d'une multipli- cité de thermocouples montés en série les uns à la suite des autres. Si une différence de température existe entre les points de jonction 3,4 du premier et du second types, on peut mesurer sur le convertis- seur thermoélectrique une tension qui est proportionnelle à la différence de température En montant les uns à la suite des autres un très grand nombre de thermocouples, on obtient, même en présence d'une faible différence de température, une tension permettant une mesure suffisamment précise Les points de jonction 3 du premier type peuvent être considérés comme des points de mesure ou encore de détection, et les points de jonction 4 du second type comme des points de référence ou encore de comparaison. Pour fabriquer un tel convertisseur, on part d'une plaquette de substrat 7 (figure 3 a), qui est enduite d'une substance à structure façonnable La plaquette de substrat 7 est constituée d'un matériau électriquement isolant et bon conducteur de chaleur, par exemple un matériau céramique ou du silicium enduit de nitrure de silicium Comme substance à structure façonnable, on peut utiliser une résine photo- sensible Des creux 8 sont ensuite produits dans la couche de résine photosensible par un des procédés connus de photolithographie, de sorte qu'on obtient finalement le produit représenté sur la figure 3 a, qui est constitué de blocs individuels 9 de résine photosensible sur la plaquette de substrat 7 La couche de résine photosensible peut présenter par exemple une épaisseur d'environ 5 à 20 pm, avantageuse- ment d'environ 7 mm, et les blocs 9 peuvent présenter une largeur d'environ 3 pm et un écartement d'environ 3 Mm Mais ces données géo- métriques peuvent varier sur une large plage Plus la couche de résine photosensible est épaisse, plus les blocs individuels sont hauts, et plus on peut obtenir une sensibilité élevée dans une des applications qui seront décrites plus loin L'agencement d'une multiplicité de blocs 9 avec des creux intermédiaires peut aussi être appelé "treillis à traits". Au lieu de partir d'une couche de résine photosensible, on peut aussi commencer par enduire la plaquette de substrat 7 de polyimide comme substance à structure façonnable, puis produire par photolitho- graphie une structure correspondant à la figure 3 a, dans laquelle les blocs 9 sont constitués de polyimide. La structure de la figure 3 a est ensuite métallisée d'un premier matériau conducteur, bismuth par exemple, d'après le procédé de métal- lisation oblique connu, par exemple, par la revue J Vac Sci Technol B 4 ( 1), Jan/Feb 1986, pages 365-368 Comme le montre la figure 3 b, si la métallisation est effectuée sous un angle ai, on obtient des bandes de pellicule 1 de ce premier matériau conducteur La valeur de l'angle ai est fonction des dimensions des blocs 9, et elle peut être calculée à partir de ces dimensions Les bandes de pellicule 1 peuvent présen- ter une épaisseur d'environ 100 à 200 sur les parois des blocs 9. Elles seront nettement plus épaisses sur le dessus des blocs 9 et sur le fond des creux 8, en fonction de l'angle ai L'épaisseur de couche peut être choisie de différentes valeurs, en fonction de la résistance électrique et thermique du matériau. Au cours d'une étape suivante, corue le montre la figure 3 c, on effectue une métallisation oblique d'un second matériau conducteur, antimoine par exemple Si la métallisation est effectuée sous un angle a 2, on obtient des bandes de pellicule 2 de ce second matériau conduc- teur, qui chevauchent partiellement les bandes de pellicule 1 et per- mettent ainsi de produire les points de jonction 3 du premier type dans le premier plan 5 (figure 1), et les points de jonction 4 du se- cond type dans le second plan 6 A nouveau, la valeur de l'angle az est fonction des dimensions des blocs 9, et elle peut être calculée à partir de ces dimensions De même, les bandes de pellicule 2 présen- tent de préférence une épaisseur d'environ 100 à 200 A La zone de chevauchement des points de jonction 4 du second type devrait se trou- ver au milieu entre les blocs C'est le cas lorsque la relation entre les angles ai et a 2 est approximativement: al = 90 a 2. Au cours d'une étape suivante, comme le montre la figure 3 d, on effectue une enduction de dioxyde de silicium selon le procédé connu de pulvérisation cathodique On obtient alors une couche 10 d'oxyde de silicium qui recouvre la totalité de la structure, et qui sert à pro- téger les couches métalliques et de cadre de soutien supplémentaire pour l'ensemble de la structure; l'épaisseur de cette couche peut être par exemple égale à 0,1 à 0,15 lim. Un tel convertisseur thermoélectrique selon la figure 3 d, o ne sont pas représentés les branchements électriques pour prélever la somme des tensions thermiques, peut avantageusement être utilisé pour mesurer le transfert de chaleur perpendiculairement au plan du sub- strat 7 Le substrat 7 peut être, par exemple, enduit sur le dessous d'une pâte thermoconductrice, et placé sur un corps solide On peut ainsi mesurer le transfert de chaleur d'un gaz ou d'un liquide sur ce corps solide Lors du transfert de chaleur, une différence de tempéra- ture apparaît entre les points de jonction 3 du premier type et les points de jonction 4 du second type, différence qui peut être mesurée sous la forme d'une tension On peut aussi mesurer le transfert de chaleur d'un corps solide sur un second corps solide, si le convertis- seur thermoélectrique est enduit des deux côtés de pâte thermo- conductrice et disposé entre les deux corps solides. Afin d'améliorer la sensibilité thermique d'un tel convertisseur destiné à mesurer un transfert de chaleur, il peut être avantageux, avant d'utiliser le convertisseur, d'éliminer la substance formant la structure (blocs 9). Afin de rendre le convertisseur thermoélectrique décrit selon la figure 3 d propre à mesurer un rayonnement infrarouge, il est avanta- geux d'enduire d'une substance absorbant le rayonnement infrarouge les points de jonction 3 ou 4 d'un des deux types Cela peut être effectué au moyen d'une étape supplémentaire au cours de laquelle, conformément à la figure 3 e, on métallise en oblique une substance absorbant d'une manière satisfaisante la lumière infrarouge En effectuant la métal- lisation sous un angle aa, on obtient des parties de couche 11 consti- tuées de cette substance absorbant le rayonnement infrarouge A nou- veau, la valeur de l'angle a 3 est fonction des dimensions des blocs 9, et elle est en général égale à environ 160 degrés Comme substance ab- sorbant le rayonnement infrarouge, on peut par exemple utiliser du chrome, qui absorbe environ 40 % du rayonnement incident et le trans- forme en chaleur L'or convient également, mais seulement s'il est dé- posé sous forme dendritique Lors de l'exposition au rayonnement infrarouge, une différence de température apparaît entre les points de jonction 3 du premier type et les points de jonction 4 du second type, différence qui peut être mesurée sous la forme d'une tension. Un convertisseur thermoélectrique selon la figure 3 d peut aussi être enduit d'un catalyseur au lieu d'une substance absorbant la lu- mière infrarouge L'étape du procédé correspond alors à celle de la figure 3 e Les parties de couche 11 sont alors constituées de ce maté- riau catalyseur On connaît dans la bibliographie existante une multi- plicité de catalyseurs convenant pour catalyser des réactions chi- miques La chaleur de réaction dégagée lors de la réaction catalytique produit de la chaleur sur le matériau catalyseur du convertisseur thermoélectrique, et une différence de température apparaît ainsi entre les points de jonction 3 du premier type et les points de jonc- tion 4 du second type, différence qui peut être mesurée sous la forme d'une tension Cette tension peut être avantageusement utilisée pour identifier spécifiquement le partenaire de réaction, par exemple un gaz Le convertisseur thermoélectrique peut ainsi être employé pour mesurer la concentration de substances chimiques. Il existe des réactions catalytiques qui ne se déroulent qu'au- dessus de températures données Afin de permettre de telles réactions, le catalyseur doit présenter une température donnée C'est pourquoi il est avantageux de doter d'un dispositif de chauffage 12 (figure 5) un convertisseur thermoélectrique selon la figure 4, dans lequel les par- ties de couche 11 sont constituées d'un matériau catalyseur Ce dispo- sitif de chauffage 12 peut être disposé en dessous de la plaquette de substrat 7, et il fonctionne électriquement Mais il peut aussi, par exemple selon la technique des couches épaisses, être disposé sur le côté de la plaquette de substrat 7 qui est tourné vers les points de jonction 3, 4, et être recouvert d'une couche isolante supplémentaire. Un tel convertisseur thermoélectrique peut être utilisé pour me- surer la concentration de substances chimiques qui ne réagissent qu'au-dessus d'une température donnée. La figure 5 ne représente d'ailleurs pas un convertisseur thermoélectrique de ce type convenant pour mesurer la concentration de substance chimique, car il lui manque les parties de couche 11 de ca- talyseur Le convertisseur thermoélectrique représenté sur la figure 5 convient pour mesurer la vitesse d'écoulement de gaz et de liquides, et il se base sur le principe connu que l'écoulement prélève du convertisseur une quantité de chaleur proportionnelle à la vitesse d'écoulement Une différence de température apparaît ainsi entre les points de jonction 3,4 du premier et du second types, et par suite une tension qui est proportionnelle à la vitesse d'écoulement. Toutes les variantes de réalisation décrites ci-dessus ont en commun que la séparation spatiale des points de jonction 3,4 du pre- mier et du second types dans des plans différents apporte l'avantage, par rapport à un agencement plan, de pouvoir loger un plus grand nombre de thermocouples sur une surface donnée De plus, cela permet d'augmenter la sensibilité. La technique de fabrication décrite permet également de construire des champs détecteurs bidimensionnels à partir de plusieurs convertisseurs thermoélectriques On peut ainsi disposer conjointement sur le substrat 7 un convertisseur thermoélectrique enduit de cataly- seur et un convertisseur thermoélectrique dépourvu d'une telle enduc- tion, en les complétant éventuellement d'un capteur de température absolue. L'emploi de la technique de métallisation oblique pour la constitution des thermocouples permet d'économiser plusieurs opéra- tions de lithographie à grande précision. On peut aussi utiliser des convertisseurs thermoélectriques du type décrit comme producteurs miniaturisés d'énergie, qui produisent directement de l'énergie électrique à partir d'un rayonnement ou d'une chaleur de réaction chimique. On peut aussi disposer sur le substrat 7 d'autres composants, par exemple d'autres capteurs et/ou des éléments servant à évaluer des signaux Ainsi, pour un détecteur de rayonnement infrarouge, on peut disposer sur le substrat 7 un amplificateur opérationnel à haute impé- dance. REVENDICATIONS 1 Convertisseur thermoélectrique, comportant une multiplicité de thermocouples montés en série et constitués d'un premier et d'un second matériau conducteur disposés sur un substrat ( 7), caractérisé en ce que des points de jonction ( 3) d'un premier type, présentant la succession premier/second matériau conducteur dans une direction de référence (R), sont disposés dans un premier plan ( 5), et en ce que des points de jonction ( 4) d'un second type, présentant la succession second/premier matériau conducteur dans la direction de ré- férence (R), sont disposés dans un second plan ( 6). 2 Convertisseur thermoélectrique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que la distance entre le premier plan ( 5) et le second plan ( 6) est de 5 à 20 pm. 3 Convertisseur thermoélectrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'une substance absorbant la lumière infrarouge est disposée à la surface des points de jonction ( 3,4) d'un des deux types. 4 Convertisseur thermoélectrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un catalyseur pour une réaction chimique est dis- posé à la surface des points de jonction ( 3,4) d'un des deux types. Convertisseur thermoélectrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un dispositif de chauffage ( 12) est disposé sur une des surfaces du substrat. 6 Convertisseur thermoélectrique selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce qu'un dispositif de chauffage ( 12) est disposé sur une des surfaces du substrat. 7 Procédé de fabrication d'un convertisseur thermoélectrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes successives suivantes: réalisation photolithographique d'une structure de creux ( 8) dans une couche à structure façonnable appliquée sur un substrat ( 7), de sorte qu'apparaissent des blocs individuels ( 9) de la substance à structure façonnable, métallisation oblique, sous un premier angle (ai), d'une multipli- cité de bandes de pellicule ( 1) d'un premier matériau conducteur, métallisation oblique, sous un second angle (a 2), d'une multiplicité de bandes de pellicule ( 2) d'un second matériau conducteur. 8 Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire consécutive consistant à déposer par pulvérisation cathodique une couche ( 10) de dioxyde de silicium. 9 Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire consécutive consistant à éliminer les blocs de la substance à structure façonnable. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, ca- ractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire consécutive consistant à métalliser en oblique, sous un troisième angle (aa), une couche de matériau absorbant la lumière infrarouge. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, ca- ractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire consécutive consistant à métalliser en oblique, sous un troisième angle (aa), une couche d'un catalyseur pour une réaction chimique. 12 Utilisation d'un convertisseur thermoélectrique selon la re- vendication 1 ou 2 pour mesurer le transfert de chaleur perpendiculai- rement au plan du substrat ( 7). 13 Utilisation d'un convertisseur thermoélectrique selon la re- vendication 3 pour mesurer un rayonnement infrarouge. 14 Utilisation d'un convertisseur thermoélectrique selon la re- vendication 4 ou 6 pour mesurer la concentration de substances chimiques. Utilisation d'un convertisseur thermoélectrique selon la re- vendication 5 pour mesurer la vitesse d'écoulement de gaz ou de liquides.