Brevet FR2711245A1 — publié le 19950421

" Détecteur de rotation et procédé de fabrication d'un tel détecteur, en réalisant sa structure dans un monocristal de silicium " La présente invention concerne un détecteur de rotation comprenant au moins un oscillateur et au moins un détecteur d'accélération monté sur l'oscillateur, l'oscillateur réalisé dans un support en plaque comprend au moins une languette de flexion qui présente, suivant un premier axe perpendiculaire à la surface du support, une épaisseur correspondant sensiblement à celle du support et, selon un second axe perpendiculaire au premier axe, une épaisseur faible, le détecteur d'accélération mesurant une accélération suivant le second axe. L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un détecteur de rotation en réalisant sa structure dans un monocristal de silicium. Selon le document DE-40 32 559 on connaît déjà un détecteur de rotation composé d'un oscillateur sur le- quel est monté un détecteur d'accélération. l'oscillateur est formé dans un support et est mobile dans une direction d'oscillation parallèle à la surface du support. Le détec- teur d'accélération associé à l'oscillateur permet de mesu- rer les accélérations perpendiculaires à la surface de l'oscillateur. Selon le document US-A-5 090 254 on connaît un détecteur d'accélération dont l'élément sensible à l'accélération est complètement capsulé dans une enveloppe. Selon le document DE-41 06 287 on connaît un procédé pour réaliser par attaque chimique des cavités dans un corps en silicium, utilisant une structure de masque, hexagonale. La présente invention concerne un détecteur de rotation correspondant au type défini ci-dessus, caractéri- sé en ce que le détecteur d'accélération est encapsulé de manière hermétique. Le détecteur de rotation selon l'invention of- fre l'avantage que le détecteur d'accélération soit parti- culièrement insensible contre les influences de l'environnement. L'invention concerne également un procédé de réalisation caractérisé en ce que sur la face avant d'une plaque de silicium on réalise un détecteur de rotation en- capsulé, on applique des structures métalliques pour mettre en contact le détecteur d'accélération et pour les chemins conducteurs sur la face avant, par attaque chimique de ca- vités dans la face arrière de la plaque de silicium, les cavités traversant complètement la plaque de silicium, on dégage la structure d'au moins un oscillateur avec les lan- guettes de flexion, le détecteur d'accélération et les che- mins conducteurs se trouvant sur l'oscillateur. Le procédé de fabrication selon l'invention permet une fabrication particulièrement simple d'un détec- teur de rotation. Grâce à la séparation nette des étapes du procédé de fabrication du détecteur et par la formation de la structure de l'oscillateur on peut utiliser les procédés déjà connus pour le détecteur d'accélération. La réalisation de l'oscillateur avec une masse sismique suspendue à une languette de flexion permet d'augmenter la sensibilité de l'oscillateur et crée la place suffisante pour le détecteur d'accélération. Cette structure est particulièrement robuste si au moins deux languettes de flexion sont reliées de chaque côté à la masse sismique. On alimente de manière relativement simple les oscillations de l'oscillateur par des chemins conduc- teurs, placés dans un champ magnétique. L'utilisation de deux oscillateurs améliore la possibilité de mesure du si- gnal du capteur. Le capteur se fabrique de manière particu- lièrement simple si sa structure est formée dans une plaque de silicium à orientation cristallographique (100). Les languettes de flexion ainsi réalisées peu- vent être en outre particulièrement minces et de ce fait sensibles. Dessins. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'exemples de réalisation représentés aux dessins dans lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus du détec- teur de rotation selon l'invention. - les figures 2 et 3 sont deux coupes transver- sales de la figure 1. - les figures 5 à 7 représentent un procédé de fabrication d'un détecteur de rotation selon l'invention. - la figure 8 montre l'excitation des oscilla- tions par un champ magnétique. Description des exemples de réalisation. La figure 1 montre en vue de dessus un support 3 en forme de plaque dans lequel on dégage deux oscilla- teurs 1. Chacun des oscillateurs 1 comprend une masse sis- mique 5 et quatre languettes de flexion 4 par lesquelles est suspendue la masse sismique 5. Un détecteur d'accélération 2 est monté sur chaque masse sismique 5. Ce détecteur d'accélération 2 peut être mis en contact par des pattes de contact 8 et par les chemins conducteurs 6. En outre, il y a d'autres chemins conducteurs 6 qui peuvent être mis en contact par les pattes 7. La forme géométrique des oscillateurs 1 est dé- finie par les cavités hexagonales 9. Le support 3 est un monocristal de silicium. Les directions cristallographiques de ce monocristal de silicium sont représentées dans le système de coordonnées de la figure 1. La surface du sup- port en monocristal de silicium 3 présente une orientation cristallographique (100). Les cavités 9 forment en vue de dessus des hexagones. Les deux côtés allongés 12 de ces hexagones sont parallèles à la direction cristallographique (100); les quatre petits côtés 13 sont parallèles aux di- rections cristallographiques (110) du monocristal de sili- cium. Cette forme résulte du procédé de fabrication qui utilise le fait que l'attaque chimique d'un monocristal de silicium dépend de l'orientation cristallographique. Un tel procédé de réalisation des cavités 9 est par exemple décrit dans le document DE-41 06 287. La figure 2 montre une coupe transversale du support 3 en forme de plaque, le long de la ligne I-I. Se- lon la figure 2, les languettes de flexion 4 ont des parois latérales perpendiculaires à la surface du support en forme de plaque 3. En outre, la coupe montre également les che- mins conducteurs 6. Leur forme longue et étroite rend les languettes de flexion 4 particulièrement sensibles aux ef- forts suivant l'axe X; cela signifie que les languettes sont déformées particulièrement facilement par des forces agissant dans cette direction. Par contre les forces dans la direction Y ne sont pratiquement pas en mesure de défor- mer les étroites et hautes languettes de flexion 4 dans la direction Y. Partant des bords 12 des cavités 9, les parois latérales des cavités s'étendent perpendiculairement à la surface du support 3 en forme de plaque. La figure 3 montre une coupe du support 3 en forme de plaque selon la ligne II-II. Cette figure montre notamment la coupe de la cavité 9 et d'un chemin conducteur 6. Les parois latérales de la cavité 9 adjacente aux bords 12 sont perpendiculaires à la surface du support en forme de plaque 3. Ces parois latérales correspondent aux plans cristallographiques d'orientation (100) du cristal de sili- cium. Les parois latérales de la cavité 9 adjacente aux bords 13 forment un angle de 54,74 par rapport à la sur- face du support 3 en forme de plaque. Ces parois latérales correspondent aux plans cristallographiques d'orientation (111) du cristal de silicium. La structure décrite aux figures 1-3 sert de détecteur de rotation. Une force agissant sur la masse sis- mique 5 ou les languettes de flexion 4 excite l'oscillateur 1 pour osciller dans la direction X. Lorsque ce système de capteur est tourné, une accélération de Coriolis agit sur l'oscillateur 1. Cette accélération de Coriolis est confir- mée par les capteurs d'accélération 2. L'amplitude de l'accélération de Coriolis pour une oscillation connue de l'oscillateur 1 est une mesure de la rotation du support 3 en forme de plaque autour de l'axe Z. En utilisant deux oscillateurs 1 on peut ex- ploiter les signaux des deux détecteurs d'accélération 2 comme signaux de différence. En formant cette différence on élimine les forces d'accélération qui agissent de la même manière sur les deux détecteurs 2, c'est-à-dire les accélé- rations linéaires dans la direction Y. Il reste alors un signal qui ne dépend que de la vitesse angulaire. En outre, avec deux oscillateurs il est possible d'exciter que l'un des deux oscillateurs. La condition est que les deux os- cillateurs 1 possèdent la même fréquence de résonance et sont couplés mécaniquement l'un à l'autre. Dans le cas pré- sent, on peut réaliser un couplage mécanique entre les deux oscillateurs 1 en déformant le support 1 en plaque. Dans l'exemple de réalisation montré ici, les deux oscillateurs 1 comportent des moyens utilisables pour une excitation de l'oscillateur 1. A cet effet, on fait passer du courant dans les languettes de flexion 4 et la masse sismique 5 par les pattes de contact 7 et les chemins conducteurs 6. Avec des moyens externes permettant de créer un champ magnétique perpendiculaire au support 3 en forme de plaque, on exerce une force sur les chemins conducteurs 6 ou les languettes de flexion 4 et sur les masses sismi- ques 5. Si on module le courant passant par la patte 7 à la fréquence de résonance de l'oscillateur 1, on peut exciter l'oscillateur 1 avec des oscillations dans la direction Y. En choisissant les polarités on excite les deux oscilla- teurs 1 en opposition de phase. Les détecteurs d'accélération 2 utilisés pour mesurer l'accélération de Coriolis dans la direction Y sont par exemple décrits dans le document US 5 090 254. La fi- gure 24 de ce document US 5 090 254 montre par exemple un détecteur d'accélération complètement encapsulé intégré dans une couche de polysilicium. Un tel détecteur d'accélération s'utilise en combinaison avec un procédé pour réaliser les cavités 9 de sorte que l'on peut repren- dre simplement les procédés de fabrication du détecteur d'accélération. La suite des opérations servant à réaliser le détecteur de rotation représenté ici seront décrites à ti- tre d'exemple à l'aide des figures 4 à 7. La figure 4 mon- tre une coupe d'un support 3 en forme de plaque avec un détecteur d'accélération 2 réalisé sur sa face supérieure. La réalisation du détecteur d'accélération se fait d'une manière analogue à celle décrite au document US 5 090 254. La face supérieure et la face inférieure du support 3 en forme de plaque sont revêtues d'une couche de passivation 14. Pour de telles couches de passivation on peut utiliser par exemple de l'oxyde de silicium ou du ni- trure de silicium qui se déposent comme cela est connu sur un silicium monocristallin. La figure 5 ne montre que quel- ques autres étapes du procédé. Sur la face supérieure du support 3 en forme de plaque on réalise une métallisation structurée 16 avec par exemple mise en contact des détec- teurs d'accélération 2 ou qui forment simplement un chemin conducteur. La réalisation de cette métallisation 16 peut se faire par exemple en pulvérisant ou en déposant à la va- peur, des métaux sur toute la surface puis en réalisant la structure. En outre, on peut prévoir une autre passivation 17 enterrant la métallisation 16 et le détecteur d'accélération 2. Par cette passivation complémentaire 17 on protège le détecteur d'accélération 2 et les chemins conducteurs. Comme matériaux pour cette passivation complé- mentaire 17 on utilise de nouveau de l'oxyde de silicium ou du nitrure de silicium. En outre, on peut prévoir un revê- tement supplémentaire 18 par exemple en laque photosensi- ble, pour protéger le détecteur d'accélération 2 et la métallisation 16 pendant les autres étapes du procédé. Dans la face inférieure du support 3 en forme de plaque on réa- lise des orifices d'attaque chimique 15 dans la couche de passivation 14. Par ces orifices d'attaque chimique 15 on forme la structure du support en plaque 3 comme le montre la figure 6. La face supérieure du support en plaque 3 est inchangée à la figure 6 par rapport à la situation de la figure 5. Dans la zone d'accès des orifices d'attaque chi- mique 15 on réalise par attaque chimique une cavité 9 dans le support 3 en plaque. Par cette cavité on forme la struc- ture du support en plaque 3. Cette structure représentée à la figure 6 est une coupe de la masse sismique 5 comme elle apparaît par exemple à la figure 1. En outre, la figure 6 montre que les dimensions latérales de la cavité 9 dépas- sent de manière significative les dimensions de l'orifice d'attaque chimique 15. Comme déjà indiqué ci-dessus dans la description des figures 1-3, les parois latérales des cavi- tés 9 adjacentes aux arêtes 12 sont formées par des plans cristallographiques d'orientation (100) qui sont perpendi- culaires à la surface d'orientation (100) du support en plaque 3. Du fait de l'orientation exacte des arêtes des orifices d'attaque chimique 15 parallèlement aux directions cristallographiques (100) du cristal de silicium, on arrive à une attaque chimique, contrôlée de la couche de passiva- tion 14 des deux côtés des orifices d'attaque chimique 15. On peut ainsi réaliser des cavités 9 ayant des parois laté- rales perpendiculaires à un axe et dont les dimensions la- térales dans cette direction se contrôlent exactement par la durée de l'attaque chimique. Pour réaliser les languet- tes de flexion minces 4 on prévoit deux orifices 15 paral- lèles à un intervalle déterminé pour que les cavités 9 qui se forment laissent subsister une mince branche formant les languettes de flexion 4. Le procédé d'attaque chimique ain- si exposé est connu par exemple selon le document DE- 41 06 287. La figure 7 montre la section du support en plaque 3 avec une masse sismique 5, après enlèvement des couches de passivation 14 dans les parties qui ne sont plus nécessaires. Pour cette opération on peut utiliser le revê- tement de laque photosensible 18 pour protéger la couche de passivation 14 au niveau du détecteur d'accélération 2 ou des chemins conducteurs 6. La figure 8 montre comment placer le support en plaque 3 entre deux bobines 21 pour créer un champ magnéti- que agissant perpendiculairement par rapport à la surface du support 3 en plaque. Cela permet d'exciter en oscilla- tions les oscillateurs 1 en faisant passer un courant élec- trique à travers les chemins conducteurs 6. Par modulation du courant à travers les chemins conducteurs 6 ou par une modulation du champ magnétique 20 à la fréquence propre des oscillateurs 1 on fait osciller les oscillateurs 1. En va- riante, on peut également utiliser un aimant permanent. R E V E N D I C A T I O N S. REVENDICATIONS 1 ) Détecteur de rotation comprenant au moins un oscillateur (1) et au moins un détecteur d'accélération (2) monté sur l'oscillateur (1), l'oscillateur (1) réalisé dans un support en plaque (3) comprend au moins une lan- guette de flexion (4) qui présente, suivant un premier axe perpendiculaire à la surface du support (3), une épaisseur correspondant sensiblement à celle du support (3) et, selon un second axe perpendiculaire au premier axe, une épaisseur faible, le détecteur d'accélération (2) mesurant une accé- lération suivant le second axe, caractérisé en ce que le détecteur d'accélération (2) est encapsulé de manière her- métique. 2 ) Détecteur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'oscillateur (1) comprend une masse sis- mique (5) suspendue à au moins une languette de flexion (4) et le détecteur d'accélération (2) est monté sur la masse sismique (5). 3 ) Détecteur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la masse sismique est suspendue à au moins deux languettes de flexion (4) prévues sur les côtés oppo- sés de la masse sismique (5) et des chemins conducteurs (6) sont prévus sur les languettes de flexion (4) sous la masse sismique (5). 4 ) Détecteur selon la revendication 3, carac- térisé en ce que l'oscillateur (1) est placé dans un champ magnétique (20) dont les lignes de champ sont perpendicu- laires aux chemins conducteurs (6). ) Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par deux oscillateurs (1) dont la fréquence de résonance est sensiblement la même et les os- cillateurs (1) sont couplés mécaniquement pour qu'une os- cillation d'un oscillateur (1) provoque une oscillation en opposition de phase de l'autre oscillateur (1). 6 ) Détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le support (3) est une plaque de silicium à orientation (100), l'oscillateur est formé par attaque chimique de cavités (9) dans la plaque de silicium et les bords (12, 13) de la cavité (9) forment à la surface du support (3) le contour d'hexagone, deux bords opposés (12) de l'hexagone (12) étant parallèles à une di- rection cristallographique (100) et quatre côtés (13) de l'hexagone étant parallèles à une direction cristallogra- phique (110) du monocristal de silicium. 7 ) Procédé de réalisation d'un détecteur de rotation en réalisant sa structure dans un monocristal de silicium, caractérisé en ce que sur la face avant d'une plaque de silicium on réalise un détecteur de rotation (2) encapsulé, on applique des structures métalliques (16) pour mettre en contact le détecteur d'accélération (2) et pour les chemins conducteurs (6) sur la face avant, par attaque chimique de cavités (9) dans la face arrière de la plaque de silicium (3), les cavités (9) traversant complètement la plaque de silicium (3), on dégage la structure d'au moins un oscillateur (1) avec les languettes de flexion (4), le détecteur d'accélération (2) et les chemins conducteurs (6) se trouvant sur l'oscillateur (1). 8 ) Procédé selon la revendication 7, caracté- risé en ce qu'à la réalisation du détecteur d'accélération sur la face avant de la plaque de silicium (3) on dépose une couche de passivation (14), notamment en oxyde de sili- cium ou nitrure de silicium et l'attaque chimique des cavi- tés (9) dans la face arrière de la plaque de silicium (3) se fait jusqu'à la couche de passivation (14). 9 ) Procédé selon la revendication 8, caracté- risé en ce que la couche de passivation est enlevée au ni- veau de la cavité de la face avant de la plaque de silicium et on protège le détecteur d'accélération (2) et les che- mins conducteurs (6) contre cette attaque chimique. 1] ) Procédé selon les revendications 6 à 8, caractérisé en ce que pour attaquer la cavité (9) on réa- lise dans la face arrière de la plaque de silicium (3) une couche de passivation (14) avec des orifices d'attaque chi- mique (15) et ces orifices (15) ont une forme hexagonale avec deux côtés de l'hexagone parallèles aux directions cristallographiques (100) de la plaque de silicium (3) et quatre côtés de l'hexagone parallèles aux directions cris- tallographiques (110) de la plaque de silicium, la plaque de silicium (3) étant traitée avec une solution d'attaque chimique qui attaque particulièrement lentement dans la di- rection cristallographique (111).