Brevet FR2679030A1 — publié le 19930115

MICROCAPTEURS PIRZOR,T,E( RIQUES La présente invention concerne un dispositif de capteur de pressions. Plus précisément il s'agit d'un dispositif constitué d'un ou plusieurs microcapteurs réalisés à partir de matériau polymère piézoélectrique. Les capteurs de pression présentent un grand intérêt dans des domaines variés tel que la détonique qui étudie des chocs correspondant à de très fortes pressions (pouvant être supérieures au Giga Pascal), ou la robotique qui cherche à déterminer des pressions avec une grande précision. Dans le domaine de la détonique, il existe à l'heure actuelle des capteurs piézoélectriques adaptés à la mesure de cnoc de grande intensité (de l'ordre du giga Pascal) et de faible durée (quelques nanosecondes). Ces capteurs détruits après la mesure sont réalisés à l'aide de polymères piézoélectriques de type poly(fluorure de vinylidène-trifluorethylène). Un de ces capteurs est représenté schématiquement à la figure 1. Deux électrodes déposées de part et d'autre du film piézoélectrique d'épaisseur environ 25 ,um permettent de lire les charges électriques engendrées par les contraintes pendant le choc. Ces captellrs ont une surface sensible relativement grande (pouvant varier du cm2 à quelques mm2), de sorte qu'il n'est pas possible de connaître la répartition spatiale de contrainte pendant le choc. D'autre part, si la vitesse du projectile à l'instant du choc dans le cas où le choc est produit par un projectile ntest pas parfaitement perpendiculaire à la surface du capteur ou si le projectile a une surface non plane, la réponse de celui-ci est perturbée par des contraintes de cisaillement difficiles à évaluer. Lorsque les charges consécutives au choc sont détectées, elles ne résultent donc pas uniquement de la variation de pression générée par le projectile, mais également des inhomogénéités de contrainte de cisaillement lors du choc. C'est pourquoi la présente invention propose un dispositif dans lequel le ou les capteurs sont de très petites dimensions (inférieure à 100 Con), la surface de contact entre l'objet et le capteur est alors si faible quelle permet de considérer la surface de l'objet comme parallèle à la surface du capteur. Les contraintes développées par le choc d'un projectile sont ainsi uniaxiales et la mesure électrique permet de connaître précisément la pression exercée par ltobjet pendant le choc. La mesure des charges apparaissant à la surface du capteur peut être effectuée par une lecture en tension ou par une lecture en courant ; on utilise une capacité étalon en parallèle avec le capteur car la capacité dudit capteur a une épaisseur qui varie avec le choc qu'il reçoit. Suivant les applications choisies, on peut envisager d'utiliser un microcapteur ou une matrice de microcapteurs permettant de cartographier les contraintes induites par le choc à détecter. La présente invention propose donc un dispositif de capteurs de pressions caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs microcapteurs réalisés à partir de matériau polymère piézoélectrique et dont les dimensions sont inférieures à une centaine de micromètres carrés. Le matériau employé a de bonnes performances piézoélectriques, il peut s' agir d'un polymère piézoélectrique, de type polymère ferroélectrique. Les microcapteurs peuvent être déposés sur un substrat comportant des éléments de lecture de charges (dispositif à transfert de charges (DTC) par exemple). Ils peuvent également être déposés sur des substrats semiconducteurs classiqlles comportant des transistors matriciels de commande. Une couche métallique peut être déposée sur la surface supérieure des capteurs pour effectuer les mesures électriques. L'invention a aussi pour objet un procédé de réalisation de matrices de microcapteurs réalisés à partir de polymère ferroélectrique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - dépôt d'une couche d'isolant (3) sur un substrat (1) comportant une matrice d'éléments de lecture de charges (2) - gravure de la couche d'isolant (3) au niveau des éléments de lecture (2) de manière à dégager ces derniers - dépôt d'une couche de polymère ferroélectrique (4) sur l'ensemble substrat recouvert localement d'isolant - gravure de la couche (4) au niveau de l'isolant restant, de manière à définir les microcapteurs (5) - dépôt d'une couche métallique (6). La gravure de la couche (4) peut être une gravure chimique ou une gravure assistée par plasma. I1 peut s'agir également d 'une gravure par photoablation (gravure directe par faisceau laser). Lorsque le polymère piézoélectrique est transparent à la longueur d'onde du laser employé on peut opérer une photoablation partielle de la couche d'isolant (3). L'avantage d'une telle gravure réside dans le fait qu'elle ne nécessite pas l'emploi d'un masque. Si le polymère ferroélectrique est un poly(fluorure de vinylldène-trifluoroéthylène) et l'isolant est un polyamide, le laser employé peut être un laser excimère KrF émettant à 248 nm. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles - la figure l représente un capteur piézoélectrique selon l'art antérieur - la figure 2 illustre un procédé de réalisation de matrices de microcapteurs selon l'invention: la figure 2a schématise un substrat (1) avec des éléments de lecture de charges (2), recouvert d'un couche d'isolant (3) la figure 2b schématise le substrat précédent, la couche d'isolant (3) a été localement gravée puis recouverte d'une couche de polymère (4) la figure 2c schématise une structure de microcapteurs selon l'invention réalisés par gravure locale de la couche (4) puis dépôt d'une couche métallique (6) - la figure 3 illustre un exemple de gravure de la couche de polymère ferroélectrique (4) par photoablation grâce à un laser excimère émettant à une longueur d'onde à laquelle le matériau piézoélectrique est transparent la figure 3a schématise la photoablation superficielle en zones (sp) au niveau du matériau absorbant la figure 3b schématise les microcapteurs ainsi formés. - la figure 4 illustre un exemple de perspective de matrice de microcapteurs selon l'invention. Les microcapteurs selon l'invention peuvent fonctionner selon une lecture en courant afin d'évaluer les charges apparaissant à la surface du matériau piézoélectrique lorsqu une contrainte mécanique est exercée. Pour effectuer cette mesure un amperemètre peut être branché en série avec la matrice de microcapteurs. I1 circule un courant i = dQ/dt égal aux variations de charges générées par unité de temps. Les moyens de lecture du signal peuvent être intégrés au substrat, pour cela les capteurs peuvent avoir été déposés sur un substrat de silicium comprenant des éléments à transfert de charges. Ils peuvent également fonctionner selon une lecture en tension. Pour cela un condensateur étalon est branché en série avec chaque microcapteur et une tension est lue aux bornes de ce condensateur. Dans le cadre des polymères ferroélectriques les poly (fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène) ont des coefficients piézoélectriques de l'ordre de d = 10 11 C/N. Ainsi lors d'un choc de 10 GPa durant 10 ns, les microcapteurs selon l'invention permettent de mesurer des variations de tension de plusieurs milliers de volts. En effet pour un microcapteur de 100 Cun de diamètre, soit une surface de contact (le S = 7,9. 10 9m2, la variation de charges mesurées est : AQ = d. A P.S. AP étant la variation de pression due au choc. AQ = 7,8 x l0 l0 Coulomb. Aux bornes d'un condensateur etalon de capacité C branché en série avec le microcapteur on peut détecter une variation de tension AV = AQ/C. Le condensateur étalon présente de préférence les mêmes dimensions que le microcapteur (un diamètre de 100 pin). On peut choisir un condensateur étalon en silice de quelques microns d'épaisseur e pour e = 3 pin eps = 3,5 (constante diélectrique) Cétalon = eps. S/e = 78.10 15 Farad 3 AV v = A Q/C AQ/C = 9.10 volts Les substrats employés peuvent être des substrats classiques de lecture de charges. Lorsque l'on emploie des dispositifs à transferts de charges pour la réalisation de matrice de microcapteurs selon l'invention, cela implique une lecture séquencée de chaque élément matriciel. C'est pourquoi selon les applications choisies on peut préférer une lecture ponctuelle d'un microcapteur. Pour cela on peut employer des structures de commande matricielle où chaque élément d'une ligne peut être couplé à un transistor ; en mesurant la tension aux bornes de ladite ligne et d'une colonne choisie on mesure la différence de tension et donc la charge apparaissant à la surface d'un microcapteur. Les dispositifs classiques à base de semiconducteur dopé localement de type silicium conviennent pour réaliser des matrices de microcapteurs selon l'invention. Dans le cadre de structure en polymère, la couche d'isolant (3) peut être réalisée à partir d'un matériau polymère. Cette couche peut être obtenue à partir de solutions par coulage, pulvérisation ou centrifugation à la tournette puis évaporation du solvant de la solution. Cette couche peut également être obtenue à partir de films secs par collage ou laminage. Le polymère employé peut être un polymère photosensible dont la gravure au niveau des éléments de lecture (2) peut être réalisée par irradiation directe à travers un masque suivie d'une étape de développement. Lorsque le polymère employé n'est pas un polymère photosensible, sa gravure peut être chimique, ou assistée par plasma à travers un masque défini par photolithographie ou bien encore cette gravure peut être effectuée par un laser excimère émettant dans l'ultra-violet et entraînant la photoablation du polymère isolant. L'épaisseur de la couche d'isolant (3) peut typiquement être de l'ordre de quelques microns. La figure 2a illustre le dépôt de la couche (3) sur le substrat (1) avec ses éléments de lecture (2). De façon préférentielle la couche (3) est réalisée par centrifugation d'un polyimide photosensible, ceci permettant de réaliser directement les ouvertures au-dessus des éléments de lecture par irradiation à travers un masque et développement. Après cuisson cette couche peut avoir une épaisseur finale comprise entre 1 et quelques microns. Sur cette couche (3) localement gravée on peut déposer par centrifugation la couche de polymère ferroélectrique (4) à partir d'une solution. La figure 2b illustre cette étape du procédé. Après cuisson cette couche peut avoir une épaisseur comprise entre 1 et 100 microns. L'épaisseur des microcapteurs selon l'invention est toujours choisie de manière à ce qu'elle reste inférieure aux autres dimensions pour éviter l'apparition de certaines déformations. Ceci est traduit par la figure 4 qui iUustre une matrice de microcapteurs selon l'invention, la hauteur h étant inférieure à la dimension T,. La distance P entre microcapteurs peut typiquement être du même ordre de grandeur que leur largeur L. I1 faut alors éliminer les sections de matériau piézoélectrique qui ne sont pas en regard avec les éléments de lecture (2). Des techniques de gravures classiques (chimique ou assistée par plasma) peuvent être employées lorsque la couche de polymère ferroélectrique (4) présente une épaisseur de quelques microns. Lorsque cette couche (4) a été localement gravée de façon à définir des microcapteurs de matériau piézoélectrique (5), une couche métallique (6) est déposée sur l'ensemble, servant de contre électrode de mesure. Cette couche métallique (6) peut être déposée par métallisation sous vide ou par métallisation chimique (dite électroless). La figure 2c illustre une structure de microcapteurs selon l'invention. Lorsque la couche de polymère ferroélectrique (4) est plus importante, (au delà d'une dizaine de microns) la présente invention propose d'utiliser préférentiellement la photoablation de la couche de polymère (4). En effet les polymères employées présentant de forts coefficients piézoélectriques sont résistants aux gravures classiques de type gravure chimique ou assistée plasma. Elle peut se faire soit à travers un masque déposé en couche mince sur le polymère et ouvert par photolithographie, soit à travers un masque mécanique en contact ou à proximité de la couche, soit à travers un masque déposé en couche mince sur un support transparent (de type silice par exemple) et disposé à proximité, soit inverse en projetant l'tin ou l'autre type de masque sur la surface du polymère avec une optique appropriée permettant de faire converger le faisceau laser vers la matrice de microcapteurs. L'association dans le cadre do la présente invention d'une couche transparente (le polymère ferroélectrique) et d'une couche très absorbante (le polyimide par exemple) dans le proche ultra-violet permet de réaliser des microcapteurs de manière originale et très directe. A l'aide d'un laser excimère à KrF émettant à 248 nm, on irradie toute la surface du polymère ferroélectrique, sans masque, avec une densité d'énergie (de l'ordre du Joule/ cm2) propre à provoquer la photoablation du polyimide sous-jacent. Avec une telle densité d'énergie la photoablation n'attaque qu'une partie de la couche d'isolant (3) permettant de maintenir une couche isolante sur le substrat évitant les contacts électriques entre le revêtement métallique supérieur (6) et les éléments de lecture (2) du substrat. En effet la première impulsion transmise par l'épaisseur du polymère ferroélectrique suffit à altérer une première couche de polymide dont l'épaisseur ne représente qu'une fraction de micron. Les fragments d'ablation éjectés à grande vitesse suffisent à entraîner le polymère ferroélectrique au dessus du polyimide. On laisse ainsi des plots de polymères ferroélectriques (5) bien définis au-dessus des éléments de lecture. REVENDICATIONS 1. Dispositif de capteur de pressions caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs microcapteurs réalisés à partir de matériau polymère piézoélectrique et dont les dimensions sont inférieures à une centaine de micromètres carrés. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau piézoélectrique est un polymère ferroélectrique. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le polymère est un poly (fluorure de vinylidène - trifluoroéthylène). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les microcapteurs sont déposés sur un substrat comportant des éléments de lecture de charges de type dispositif à transfert de charges (DTC). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface supérieure des microcapteurs est recouverte d'une couche métallique. 6. Procédé de réalisation de matrices de microcapteurs réalisés à partir de polymère ferroélectrique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - dépôt d'une couche d'isolant (3) sur un substrat (1) comportant une matrice d'éléments de lecture de charges (2) - gravure de la couche (3) au niveau des éléments de lecture (2) de manière à dégager ces derniers - dépôt d'une couche de polymère ferroélectrique (4) sur l'ensemble substrat recouvert localement d'isolant - gravure de la couche (4) au niveau de l'isolant restant de manière à définir les microcapteurs (5) - dépôt d'une couche métallique (6). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche (3) est réalisée par centrifugation d'un polyimide photosensible. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la gravure de la couche (3) est obtenue par irradiation à travers un masque suivie d'une étape de développement. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la couche (4) est déposée par centrifugation au dessus de la couche (3) localement gravée. 10. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la gravure de la couche (4) est réalisée directement sans masque par photoablation superficielle de la couche d'isolant (3). 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'isolant est du polyimide, le polymère ferroélectrique est un poly(fluorure de vinylidène-trifluoroéthylène) et le laser est un laser excimère KrF émettant à 248 nm.