Brevet FR2670579A1 — publié le 19920619

r 1 - CAPTEUR SEMI-CONDUCTEUR DE DEBIT L'invention concerne un capteur semi-conducteur pour mesurer le débit d'un fluide en écoulement, par exemple un liquide ou un gaz. D'une manière générale, le principe de l'anémomètre à fil chaud pour mesurer l'écoulement d'un fluide est connu depuis fort longtemps Plus récemment, il a été proposé de réaliser des capteurs semi- conducteurs basés sur ce principe. Par exemple, le brevet US-4,680,963 décrit un capteur semi-conducteur intégrant, sur un seul substrat de silicium, une résistance chauffante et des thermomètres associés La face du substrat qui est soumise à l'écoulement du fluide, est munie en son centre d'une résistance chauffante et à sa périphérie de thermomètres, ces derniers étant isolés de la résistance chauffante par du silicium poreux oxydé. Etant donné que la conductivité thermique du silicium poreux oxydé est jusqu'à 100 fois plus faible que celle du silicium, on évite ainsi les court-circuits thermiques, au niveau du substrat, entre la résistance chauffante et les thermomètres. Le capteur décrit ci-dessus présente cependant des inconvénients dans la mesure o la résistance chauffante et les thermomètes nécessitent une couche protectrice pour éviter les problèmes d'abrasion, de corrosion et de contamination ionique des circuits implantés pour le chauffage et les mesures de température La réalisation d'une telle couche soulève 2 cependant plusieurs difficultés Tout d'abord, elle doit présenter des caractéristiques de dilatation thermique sensiblement identiques à celle du support pour éviter les fluctuations de mesure liées à la contrainte occasionnée par les variations de température De plus, elle doit présenter une bonne conductivité thermique de manière à ne pas s'opposer au transfert thermique entre la résistance chauffante et le fluide; cette dernière condition présente cependant un inconvénient dans la mesure o elle crée un nouveau pont thermique au niveau de la couche protectrice entre la résistance chauffante et les thermomètres. L'invention a pour objet de remédier à ces inconvénients en proposant une solution efficace et économique. La capteur de débit proposé comporte un substrat de silicium dont une première face est munie d'un élément chauffant disposé dans une première zone dudit substrat et d'au moins un élément thermométrique disposé dans une seconde zone dudit substrat, la première et la seconde zone étant isolées l'une de l'autre par une troisième zone dudit substrat formée de silicium poreux oxydé; selon l'invention, le capteur est adapté à recevoir l'écoulement du fluide au regard de la seconde face dudit substrat, chacune desdites première et seconde zones formant un court- circuit thermique entre la première et la seconde face dudit substrat. Selon un mode particulier de réalisation, la première zone est sensiblement cylindrique et la troisième zone est une tranchée annulaire entourant la première zone. 3 - De préférence, un évidement est pratiqué dans la seconde face du substrat. Pour éviter les turbulences du fluide en écoulement, il est préférable que les trois zones soient au même niveau au fond de l'évidement pratiqué dans la seconde face du substrat. Selon un mode particulier de réalisation, l'évidement présente la forme d'une croix centrée sur la première zone et dont une des branches correspond à l'axe d'écoulement du fluide. La première face du substrat peut avantageusement aussi être munie d'au moins un élément thermométrique disposé dans la première zone. L'élément chauffant et les éléments thermométriques peuvent en outre être protégés par l'intermédiaire d'un capot en silicium scellé sur la première face du substrat; de préférence, la liaison entre le capot et la première face du substrat consiste en un scellement électrostatique par l'intermédiaire d'une fine couche de pyrex, l'espace entre le capot et la première face étant sous vide ou rempli d'un gaz inerte. L'invention et les avantages qu'elle présente seront mieux compris à la lecture de la description détaillée ci-après et en se reportant aux figures, dans lesquelles: les figures 1 et 2 représentent respectivement une vue de dessus et une coupe du substrat de silicium identifiant les différentes surfaces masquées pour un mode de réalisation de l'invention; -4- la figure 3 représente une coupe du substrat de la figure 1, montrant la zone de silicium poreux oxydé formant la barrière thermique; les figures 4 et 5 représentent respectivement une vue de dessus et une coupe d'un mode de réalisation du capteur selon l'invention; les figures 6 et 7 représentent respectivement une vue en perspective d'un autre mode de réalisation comportant un capot de protection et une vue de dessus du substrat selon ce second mode de réalisation. En référence aux figures 1 à 3 décrivant un premier mode de réalisation, le capteur est formé à partir d'un substrat 1 de silicium du type P Sur la face A du substrat 1, on masque les surfaces circulaire centrale Ai et annulaire extérieure A 2 par implantation ionique du type N d'environ 0, 3 micron de profondeur, de manière à ne laisser exposer qu'une surface annulaire intermédiaire A 3 du type P isolant les surfaces Ai et A 2 l'une de l'autre A titre illustratif, la surface Al est une surface circulaire d'environ 1 mm de diamètre et la distance entre la surface Ai et A 3 est d'environ 0.5 mm. La face A ainsi masquée du substrat 1 est soumise à une solution d'acide fluorhydrique (HF) et un courant électrique entre la face B du substrat 1 formant anode et la solution d'acide fluorhydrique formant cathode. Etant donné que cette solution acide attaque uniquement le silicium du type P, c'est-à-dire la zone sous-jacente à la surface A 3, on réalise ainsi une tranchée annulaire R 3 de silicium poreux A titre illustratif, la profondeur de la tranchée R 3 sera d'au moins 20 microns et de préférence entre 40 et 50 microns. - Le susbtrat est ensuite placé dans un four d'oxydation de manière à oxyder en profondeur la tranchée R 3 de silicium poreux, et ainsi obtenir une tranchée de silicium poreux oxydé R 3. En référence à la figure 4, on procède ensuite à l'implantation de l'élément chauffant 2 sur la surface Al et d'au moins un élément thermométrique 4 sur la surface A 2; de préférence, on implantera également au moins un élément thermométrique 3 sur la surface Al. De manière avantageuse, l'élément chauffant et les éléments thermométriques sont réalisés sous la forme de composants (résistances, diodes et/ou transistors) directement implantés dans le substrat de silicium, par exemple en technologie bipolaire ou CMOS. En référence à la figure 5, la face B du substrat est ensuite usinée selon des techniques classiques, par exemple par attaque chimique à l'aide d'une solution d'hydroxide de potassium (KOH) de manière à obtenir un évidement 9 dont le fond 8 vient affleurer le fond de la tranchée R 3 de silicium poreux oxydé, laissant ainsi subsister une membrane entre la face A et le fond 8 de l'évidement 9, dont l'épaisseur est égale à la profondeur de la tranchée R 3 de silicium poreux oxydé, soit environ 40 microns. En résumé, le substrat 1 comporte donc deux faces A et B et se décompose en trois zones, à savoir: une première zone Rl essentiellement composée de silicium comportant sur la face A du substrat un élément chauffant 2 et éventuellement au moins un élément thermométrique 3, cette zone Rt formant un court-circuit thermique entre les faces A et B du substrat; 6 - une deuxième zone R 2 essentiellement composée de silicium comportant sur la face A du substrat un ou plusieurs éléments thermométriques 4, cette zone R 2 formant un court-circuit thermique entre les faces A et B du substrat; et une troisième zone R 3 en silicium poreux oxydé qui isole thermiquement et électriquement les zones Rt et R 2 l'une de l'autre. Du fait de l'isolation entre les zones Rt et R 2 et des court-circuits thermiques existant entre les faces A et B au niveau des zones Rt et R 2, l'écoulement du fluide dont on veut mesurer la vitesse peut donc s'effectuer au regard de la face B du substrat selon la direction E. Il en résulte que les éléments implantés dans la face A du substrat 1 n'ont plus à être exposés au fluide qui s'écoule, évitant ainsi les problèmes de contamination ionique au niveau de l'élément chauffant et des thermomètres, contamination qui risque d'affecter la stabilité du capteur; de plus, le région Rt présente un volume de silicium très petit dont on peut très bien contrôler la température en agissant sur l'élément chauffant. Selon un second mode particulier de réalisation illustré dans les figures 6 et 7, la face A du substrat 1 peut être équipée d'un capot de protection 5 permettant de protéger l'élément chauffant 12 et les thermomètres 13, 14 a, 14 b et 14 c. De préférence, le capot 5 est également en silicium et il est fixé au susbtrat de manière étanche, par exemple selon la technique de scellement électrostatique par -7- l'intermédiaire d'une fine couche de pyrex Le volume entre le substrat et le capot peut être rempli d'un gaz inerte, par exemple de l'argon, ou encore être sous vide Des connexions extérieures 6 sont prévues pour alimenter l'élément chauffant et les éléments thermométriques. La face A du substrat est munie dans la zone RI du substrat, d'un élément chauffant 12 et d'un élément thermométrique 13, dans la zone R 2 du substrat, de trois éléments thermométriques 14 a, 14 b et 14 c, les thermomètres 14 a et 14 b étant par exemple alignés avec l'axe de l'écoulement et disposés de part et d'autre de la zone RI. Pour éviter les turbulences du fluide en écoulement au regard de la face B du substrat, cette dernière est usinée de manière à ce que les trois zones RI, R 2 et R 3 du substrat 1 soient au même niveau selon l'axe de l'écoulement; selon le mode de réalisation décrit, le fond 18 de l'évidement prend la forme d'une croix centrée sur la zone RI et dont une des branches correspond à la direction E de l'écoulement du fluide. Le capteur de débit ainsi décrit peut fonctionner selon deux modes de fonctionnement: soit selon la technique de dissipation thermique occasionnée par le fluide en écoulement, ce qui revient par exemple à mesurer le courant nécessaire pour chauffer la zone Ri tout en maintenant un différentiel de température constant entre les zones Rt et R 2 (par exemple une dizaine de dégrés entre les thermomètres 13 et 14 c); 8 - soit en mesurant la vitesse de propagation, selon la direction de l'écoulement du fluide, d'une impulsion de chaleur engendrée au niveau de la zone Ri, c'est-à-dire, la distance entre les thermomètres 13 et 14 a ou 13 et 14 b étant connue, il suffit de mesurer le temps entre l'émission de cette impulsion de chaleur au niveau de la zone Ri et la détection de cette impulsion au niveau d'un des thermomètres 14 a ou 14 b selon la direction de l'écoulement; cette dernière technique présente en outre l'avantage de permettre la détection de la direction de l'écoulement. -9 - REVENDICATIONS 1 Capteur de débit comportant un substrat ( 1) de silicium dont une première face (A) est munie d'un élément chauffant ( 2; 12) disposé dans une première zone (RI) dudit substrat et d'au moins un élément thermométrique ( 4; 14) disposé dans une seconde zone du substrat (R 2), lesdites première et seconde zones étant isolées l'une de l'autre par une troisième zone (R 3) en silicium poreux oxydé, caractérisé par le fait que le capteur est adapté à recevoir l'écoulement du fluide (E) au regard de la seconde face (B) dudit substrat ( 1), chacune desdites première et seconde zones (Rt, R 2) formant un court-circuit thermique entre la première et la seconde face (A, B) dudit substrat. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première zone (RI) est sensiblement cylindrique et que la troisième zone (R 3) est une tranchée annulaire entourant la première zone (Rt). 3 Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un évidement ( 9; 19) pratiqué dans la seconde face (B) du susbtrat, le fond ( 8; 18) de cet évidement et la première face (A) du susbtrat formant une membrane incluant au moins les première et troisième zones (RI, R 3). 4 Capteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les trois zones (RI, R 2 et R 3) débouchent au même niveau sur l'évidement ( 18) au regard de l'écoulement du fluide. - Capteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que l'évidement ( 19) présente la forme d'une croix centrée sur la première zone (Ri) et dont une des branches correspond à l'axe d'écoulement du fluide (E). 6 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la première face (A) est protégée par un capot ( 5). 7 Capteur selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le capot ( 5) est en silicium, la liaison entre le capot et ladite première face se faisant par l'intermédiaire d'une couche de pyrex. 8 Capteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'espace situé entre ladite première face (A) et le capot ( 5) est rempli d'un gaz inerte. 9 Capteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'espace situé entre ladite première face (A) et le capot ( 5) est sous vide. 10 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la première zone (Ri) est en outre munie sur la première face (A) du substrat, d'au moins un élément thermométrique ( 3; 13). 11 Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le substrat ( 1) de silicium est du type P et que l'élément chauffant ( 2; 12) et les éléments thermométriques ( 4; 14) sont formés par des composants directement implantés dans la première face (A) dudit susbtrat.