Brevet FR2667157A1 — publié le 19920327

MICRO-Ao'LERU ' A RÉSONATEURS ET PRDCEDÉ DE FABRICATION La présente invention concerne une structure de micro- accléramètre et un procédé de fabrication d'une telle structure. On a développé ces dernières années divers types de micro-acceléracitres et autres micro-clmposants utilisant des techniques de fabrication voisines de celles des circuits intégrés. On a ainsi fabriqué des structures monoxlithiques incluant une masse sismique portée par des suspensions reliées à un cadre Les suspensions sont gé''réalement conçues pour que la masse sismique puisse se déplacer perpendiculairement à son plan La détection du déplacement de la masse sismique est clas- siquement effectuée ou bien en détectant une variation de capa- cité entre le plan de cette masse et un plan métallisé forme dans une enceinte support ou bien en détectant les déformations des suspensions. Par ailleurs, on connait des acoéléramitres non mono- lithiques dans lesquels la détection est réalisée par des résona- teurs Ce type de détecteur est plus précis et donne des infor- mations plus faciles à traiter. Un objet de la présente invention est de prévoir un micro-accéléramètre directif plan et monolithique dans lequel la détection soit effectuée par des résonateurs incorporés de façon monolithique à l'ensemble du capteur. La présente invention propose un nouveau type de micro-accélércmètre monolithique dans lequel les suspensions sont conçues pour autoriser le déplacement de la masse sismique dans une direction comprise dans le plan de cette masse et non pas perpendiculairenment à celui-ci, et dans lequel la détection du déplaoement de la masse sismique dans la direction conrernée est réalisée à partir de la variation de la fréquence de rés Onanoe de résonateurs ouplés à cette masse. Plus particulièrement, la présente invention prévoit un microacceléroatre à résonateurs sensible à des acceélératioans dans une première direction comprenant, entre deux plaques support, une plaque intercalaire gravée pour comporter un cadre rectarngulaire dont les oôtes s'étendent selon la première et une deuxième direction perpendiculaire à la première, ces directions étant orthogonales à une troisième direction; une masse sismique intérieure au cadre; deux barres de suspension s'étendant entre le cadre et la masse selon la deuxième direction, de part et d'autre de la masse, et reliant le cadre à la masse, ces barres ayant sensiblement la même épaisseur que la masse et le cadre selon la troisième direction et une faible largeur selon la première direction; deux éléments formant résonateurs s'étendant entre le cadre et la masse et ayant une épaisseur faible selon la troisième direction; des moyens pour exciter les résonateurs; et des moyens pour détecter la fréquenre de vibration des réscna- teurs. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacun des deux éléments formant résonateurs est constitué d'une lame s'étendant entre le cadre et la masse selon la première direction, de part et d'autre de la masse, et reliant le cadre à la masse. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacun des résonateurs est disposé en regard d'une plaque support opposée, chaque plaque support comportant des moyens d'excitation du résonateur qui lui est associé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaque intercalaire est en quartz et chacun des résonateurs est muni de métallisations propres à l'exciter par effet piézo- électrique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la plaque intercalaire est en silicium. Par ailleurs, dans le cas o la partie active du capteur est en silicium, la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'un microaoléromètre à résonateurs cxaprenant les étapes suivantes: former une plaque de silicium dont les faoes prirxi- pales sont dans des plans ( 100), les première et deuxième direc- tions étant parallèles à la direction cristallographique l 110 l; prégraver chacune des faces de la plaque de silicium en face de l'emplacement de chacun des résonateurs; masquer les emplaements o doivent se trouver le cadre, les résonateurs (sauf du côté prégravé), la masse sismique et les barres de suspension; et procéder à une gravure chimique par un agent provoquant une attaque s'étendant préférentiellement selon des plans ( 111) puis selon des plans ( 110) et poursuivre cette gravure jusqu'à ce que les résonateurs aient l'épaisseur souhaitée; d'o il résulte que, si les masques de gravure des barres de suspension ont des dimensions appropriées, oes barres ont une épaisseur égale à oelle de la plaque inte mdiaire et une largeur dans la première direction faible devant cette épaisseur. 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 de dessus schématique d'un micro-aclér tre selon la présente invention; la figure 2 représente une vue en coupe selon la ligne y-y de la figure 1; la figure 3 représente une vue en coupe selon la ligne x-x de la figure 1; les figures 4 et 5 représentent des étapes successives de fabrication d'un micro-accléromtre selon la présente inven- tion dont la partie active est en silicium; et les figures 6 A et 6 B représentent une vue en coupe d'une suspension selon la présente invention lors de phases successives de gravure. L'allure gérnérale d'un micro-acczlérm Ltre selon la présente invention est illustrée en vue de dessus en figure 1 et en coupe selon deux plans orthogonaux en figures 2 et 3 Comme le montrent les figures 2 et 3, ce micro-accléromatre comprend de façon classique une plaque intercalaire 1 constituant la partie essentielle du capteur insérée entre deux plaques servant de support et de protection 2 et 3. La figure 1 représente une vue de dessus scfiématique de la plaque intercalaire 1 Celle-ci est déeoupée (gravée) pour compenxre un cadre rectangulaire 10, représenté ici de forme carrée, et une masse sismique oentrale 11 disposée à l'intérieur du cadre Des barres de suspension Si et 52 relient la masse 11 au cadre 10 et des résonateurs Ri et R 2 sont disposés entre la masse 11 et le cadre 10. Les barres de suspension Si et 52 sont conformées pour être souples dans la direction x-x de sensibilité de l'acorléro- mètre et pour être rigides dans les deux autres directions, c'est-à-dire selon l'axe y-y et selon l'axe orthogonal z-z Ces suspensions s'étendent sur leur plus grande longueur parallèle- ment à l'axe y-y, et présentent une épaisseur dans la direction z égale à l'épaisseur de la masse sismique et du cadre, c'est-à- dire l'épaisseur initiale de la plaque intercalaire 1 Par contre, dans la direction de l'axe des x, ces suspensions présen- tent une largeur inférieure à leur épaisseur Ainsi, la masse sismique est susceptible de se déplacer sensiblement uniquement dans la direction de l'axe des x, les composantes de 1 'aaalé- ration dans d'autres directions étant sans effet. Pour détecter le déplacement éventuel de la masse sismique 11 dans la direction de l'axe des x, sont prévus deux résonateurs constitués dans le mode de réalisation décrit à titre d'exemple de deux lames Rl et R 2 qui s'étendent entre la masse sismique et le cadre selon la direction de l'axe des x Pour présenter une forte senqihilité, ces résonateurs ont une épais- seur faible dans la direction de l'axe des z et sont en regard d'un ensemble d'électrodes d'excitation et de détection disposées sur la plaque support en faoe de laquelle ils se trouvent. De préférence, comme cela apparaît en figure 2, les résonateurs sont disposés symétriquement par rapport au centre de la masse sismique oe qui permet de cxmpenser d'éventuelles erreurs de fabrication et de réduire la sensibilité selon l'axe des z En ce cas, chacun des résonateurs Rl et R 2 est associé à des électrodes El et E 2 respectivement disposées sur les plaques support 2 et 3. Le mode d'excitation et de détection des résonateurs ne sera pas décrit ici car l'home de l'art connait diverses façons de réaliser ces fonctions. Comme le représentent les figures 2 et 3, les plaques support ou plaques de protection 2 et 3 viennent s'appuyer sur le cadre 10 et enferment complètement l'ensemble de la masse sis- mique, des suspensions et des résonateurs L'enceinte dans laquelle se trouve cet ensemble peut être mise sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Le matériau formant la plaque intercalaire 1 et dans lequel sont gravés les éléments ci-dessus mentionnes peut être choisi parmi divers matériaux utilisés dans la réalisation de micro-composants. On pourra par exemple utiliser du quartz monxxcristallin qui, quand il est convenablement orienté, se grave orthogconale- menit à ses faces principales dans des solutions de HF et de NH 4 F Dans ce cas, les résonateurs seront munis de métallisations propres à les exciter par effet piézoélectrique. l On va maintenant décrire à titre d'exemple un procédé de fabrication particulier de la structure selon l'invention dans le cas o la plaque intercalaire est en silicium. Ce procédé de fabrication sera décrit en relation avec les figures 4 à 5 dont on notera qu'elles ne sont pas tracées à 1 'échelle par rapport aux figures précédentes mais sont seulemnt destinées à permettre d'illustrer l'invention Aucune échelle n'est non plus respectée dans la proportion entre les dimensions horizontales et verticales D'autre part, on décrit ici la réali- sation d'un composant unique Il sera clair pour 1 'homme de l'art que de nombreux composants identiques pourront être formés simul- tanément sur une tranche de silicium ayant oouramment une épais- seur de 0,3 à 0,5 mm. Comme le représente la figure 4, on part d'une tranche de silicium dans laquelle on a realisé des prégravures 21 en face des emplacements o l'on veut former les résonateurs Ensuite, un masque de gravure est fomré et comprend des régions 22 pour déli- miter la région de cadre, des régions 23 pour délimiter les lames de résonateurs, des régions 24 pour délimiter les barres de suspension et des régions 25 pour délimiter la masse sismique. Les régions 22, 24 et 25 sont syrétriques sur les deux faoes Les régions 23 sont prévues sur une seule face, à l'opposé des prégravures 21. Selon la présente invention, la tranche de silicium est initialement orientée pour que ses faoes principales se trouvent dans un plan cristallographique ( 100) et les directions x et y sont choisies pour être parallèles à la directicn l 110 l Dans ces conditions, la gravure est réalisée par une solution d'attaque produisant un creusement anisotrope du silicium telle que de l'éthylène-diamine-pyrocathéol ou de la potasse (KOH) Si l'on poursuit la gravure jusqu'à obtenir l'épaisseur souhaitée pour les résonateurs Rl et R 2, on arrive à la structure illustrée en figure 5 dans laquelle de mêmes référerxes désignsnt de m&mes éléments qu'en figures 1 à 3. Plus particulièrement, l'effet des agents de gravure susmentionnés est illustré en figures 6 A et 6 B en relation avec la gravure d'une suspension Dans un premier temps, la gravure s'étend selon des plans ( 111) et, ensuite, quand deux plans ( 111) de la face inférieure et de la faoe supérieure se rejoignent, comme cela est illustré en figure 6 A, la gravure se poursuit pour dégager des plans ( 110), corne oela est illustré en figure 6 B On obtient dornc directement par une opération de gravure unique la forme de suspension souhaitée présentant une largeur inférieure à son épaisseur, cette largeur étant conditionnée par le choix initial de la dimension des zones de masquage 24 (figure 4). Ainsi, la présente invention propose un procéd de fabrication particulièrement simple et rapide puisqu'il fait appel à un procédé de gravure humide bien plus rapide et plus simple à mettr Le en oeuvre que les procédés de gravure sèche (gravure ionique réactive ou usinage ionique), ces derniers procédés présentant les iinvénients d' être complexes, lents, et hasardeux dans le cas o de grandes épaisseurs doivent être gravées, ce qui est le cas dans la présente invention o l'on veut éliminer complètement le silicium sur toute l'épaisseur d'une tranche. En outre, la présente invention présente l'avantage de ne rncessiter que deux étapes de gravure: une prégravure telle qu'illustrée en figure 4 et une gravure finale telle qu' illustrée en figure 5. La présente invention est susoeptible de nombreuses variantes qui apparaitront à l'homme de l'art, notamment en ce qui oerne la forme exacte du cadre et de la masse sismique, les formes des régions d'attache entre le cadre d'une part, la masse sismique d'autre part, et les résonateurs et suspensions. La position des points d'attache des barres de suspension à la masse sismique sera choisie pour optimiser la directivité de 1 'acéléranotre, et la position des points d'attaches des lames de résonateurs au cadre et à la masse sismique constitue, en fonction de leur épaisseur, un moyen de sélection de leur fréquence fondamentale de vibration. Diverses techniques connues d'excitation et de détec- tion de la vibration des résonateurs pourront être utilisées De même, la formation et l'assemblage des plaques de protection peuvent faire appel à diverses techniques On pourra par exemple utiliser des couches inter Mdieiirs, prévoir divers moyens de passage de connexions et d'assemblage entre les diverses plaques, le moyen actuellement le plus courant étant la soudure anodique. Le matériau des plaques de protection sera adapté au matériau de la plaque intercalaire; par exemple, si la plaque intercalaire est en quartz, on préfère actuellement utiliser un boîtier en céramique. REVENDICATIONS 1 Micro-accréléromiètre à résonateurs sensible à des aoclérations dans une première direction comprenant, entre deux plaques support, une plaque intercalaire gravée pour conaporter: un cadre rectangulaire ( 10) dont les o Stés s'étendent selon la première (x) et une deuxième (y) direction perpendicu- laire à la première, ces directions étant orthogonales à une troisième direction (z); une masse sismique ( 11) intérieure au cadre; deux barres de suspension (Si, 52) s'étendant entre le cadre et la masse selon la deuxième direction, de part et d'autre de la masse, et reliant le cadre à la masse, ces barres ayant sensiblement la mêmne épaisseur que la masse et le cadre selon la troisième direction et une faible largeur selon la première direction; deux éléments formant résonateurs (Ri, R 2) s'éterndant entre le cadre et la masse et ayant une épaisseur faible selon la troisième direction; des moyens pour exciter les résonateurs; et des moyens pour détecter la fréquence de vibration des résonateurs. 2 Micro-accléromtre à résonateurs selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que chacun des deux éléments formant résonateurs (Ri, R 2) est constitué d'une lame s'éterndant entre le cadre et la masse selon la première direction, de part et d'autre de la masse, et reliant le cadre à la masse. 3 Micro-acceléraomtre à résonateurs selon la revendi- cation 1, caractérisé en oe que chacun des résonateurs (Rl, R 2) est disposé en regard d'une plaque support opposée ( 2, 3), chaque plaque support comportant des moyens d'excitation du résonateur qui lui est associé. 4 Micro-acéléretrei à résonateurs selon la reverdi- cation 1, caractérisé en ce que ladite plaque intercalaire est en quartz et que chacun des résonateurs est muni de métallisations propres à l'exciter par effet piézoélectrique. 5 Micro-accéléxcvtre à résonateurs selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que ladite plaque intercalaire est en silicium. 6 Prcédé de fabrication d'un micro-accéléra Tntre à résonateurs selon la revendication 4, caractérisé en oe qu'il comanprend les étapes suivantes: former une plaque de silicium dont les faces princi- pales sont dans des plans ( 100), les première (x) et deuxième (y) directions étant parallèles à la direction cristallographique l 110 l; prégraver ( 21) chacune des faces de la plaque de sili- cium en faoe de l'emplaement de chacun des résonateurs; masquer les emplacements ( 22-25) o doivent se trouver le cadre, les résonateurs (sauf du côté prégravé), la masse sismique et les barres de suspension; et procéder à une gravure chimique par un agent provoquant une attaque s'étendant préférentiellement selon des plans ( 111) puis selon des plans ( 110) et poursuivre cette gravure jusqu'à ce que les résonateurs aient l'épaisseur souhaitée; d'o il résulte que, si les masques de gravure des barres de suspension ont des dimensions appropriées, ces barres ont une épaisseur égale à celle de la plaque intermédiaire et une largeur dans la première direction faible devant oette épaisseur. 7 Proédé de fabrication d'un micro-accélérnètre à résonateurs selon la revendication 6, caractérisé en oe que l'agent de gravure est de l'éthylène-diamine-pyrathél ou de la potasse.