Brevet FR2734366A1 — publié le 19961122

CAPTEUR D'ACCELERATION MONOLITHIQUE L'invention a pour objet un capteur d'accélération, destiné à diverses applications, parmi lesquelles on peut mentionner notamment la détection de chocs en cas d'accident de véhicules automobiles. Les avantages du capteur selon l'invention seront décrits à propos de cette application particulière. Pour prévenir les dommages corporels des passagers et du conducteur dans les accidents de véhicule, on utilise depuis longtemps la ceinture de sécurité, mais plus récemment on a prévu des systèmes de prétension de la ceinture, qui resserrent la ceinture dès la détection d'une forte décélération dépassant un seuil prédéterminé. On a vu aussi apparaître les "air-bags", c'est-à-dire des coussins ou ballons de sécurité qui se gonflent instantanément en cas de choc pour protéger le conducteur. Le choc est détecté par un détecteur d'accélération. Ces dispositifs ne doivent pas être mis en oeuvre intempestivement, parce qu'ils sont très gênants s'ils sont activés alors que la sécurité ne le justifiait pas. C'est tout particulièrement le cas de l'air-bag. Par conséquent, le besoin se fait sentir d'un capteur d'accélération qui soit très fiable et reproductible, et dont les caractéristiques puissent facilement être testées avant livraison au constructeur automobile. Par ailleurs, pour des applications généralisées telles que l'automobile, on conçoit que le capteur doit être de coût aussi faible que possible. On a proposé dans le passé tout d'abord des capteurs électro-mécaniques composés d'une masse sismique reliée à un ressort et venant percuter un interrupteur électrique ou magnétique lorsque l'accélération (ou la décélération) dépasse la force de rappel du ressort. Ces capteurs sont peu coûteux mais difficilement testables et ne peuvent délivrer qu'une information binaire : dépassement ou non du seuil. De plus ils sont assez encombrants. On a proposé également des capteurs réalisés par des techniques de micro-usinage du silicium, pour profiter du développement très rapide des technologies de traitement de ce matériau. Ces capteurs d'accélération sont une extension des travaux faits pour réaliser des capteurs de pression à base de silicium microusiné. La technologie repose sur la gravure du silicium avec des solutions de potasse par exemple, et l'utilisation de couches "sacrificielles" de silice et de silicium polycristallin déposé. Les couches sacrificielles sont celles qu'on dépose provisoirement pour supporter une couche ultérieure et qu'on enlève ensuite, laissant suspendue la couche ultérieure au dessus d'une cavité. Le calcul des performances du capteur peut se faire par des logiciels de simulation fonctionnant à partir du calcul d'éléments finis.Les inconvénients de ces dispositifs sont le faible niveau de sortie (typiquement entre 12 et 50 millivolts), la forte dérive en température (2000 ppmt C), la difficulté du test. Des accéléromètres capacitifs apparaissent aujourd'hui; ils ont de bonnes performances en résolution et en dérive en température, mais sont sensibles aux interférences électromagnétiques et nécessitent des technologies aussi complexes que les accéléromètres au silicium micro-usiné. L'invention a pour but de proposer une structure d'accéléromètre qui évite le mieux possible les inconvénients des accéléromètres de la technique antérieure. On propose selon l'invention un accéléromètre possédant une couche sensible aux accélérations constituée par un copolymère ferroélectrique. Plus précisément, on propose un accéléromètre possédant une couche sensible aux accélérations, formée sur un substrat monolithique, caractérisé en ce que la couche de détection est une couche d'un copolymère ferroélectrique polarisé placée entre deux électrodes, la couche de détection et les deux électrodes formant une structure suspendue, et en ce que des moyens sont prévus pour détecter les variations de charge piézoélectrique engendrées entre les faces de cette couche du fait des accélérations subies par le capteur. Le copolymère est de préférence un copolymère P(VF2 TrFe), c'est-à-dire un poly-(difluorure de vinylidène-trifluoroéthylène). Le copolymère peut être aussi à base de polycyanure de vinylidène-vinylacétate; ou encore de polycyanure de vinylidènefluorure de vinylidène. D'autres polymères piézoélectriques pourraient convenir. La couche travaille en élongation (couche suspendue). Dans la structure suspendue formée par la couche de détection placée entre deux électrodes, I'électrode inférieure repose de préférence localement, dans certaines zones, sur le substrat et est séparée du substrat entre ces zones. Cette couche de détection en copolymère possède des propriétés piézoélectriques et elle est compatible avec des technologies de réalisation monolithique sur un substrat qui peut être un substrat de silicium traité selon des technologies classiques de circuits intégrés. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une coupe schématique d'un capteur d'accélération monolithique qui utilise une couche de détection travaillant en compression; - la figure 2 représente une coupe schématique de capteur d'accélération monolithique utilisant une couche de détection polymérique en structure suspendue; - la figure 3 représente une réalisation pratique de l'invention. Dans le capteur représenté à la figure 1, la couche de détection est déposée en contact sur toute sa surface avec le substrat monolithique qui la porte, ou en contact avec des couches déposées sur le substrat. Le substrat est de préférence un substrat de silicium 10, sur lequel on a préalablement réalisé des circuits électroniques auxiliaires permettant la fourniture de tension à la couche de détection et le traitement du signal recueilli sur la couche en présence d'accélérations. Ces circuits ne sont pas visibles sur la figure 1 et peuvent être considérés comme intégrés au substrat 10. Sur le substrat ainsi réalisé, est déposé une couche isolante de passivation 12 ouverte localement (ouverture 14) pour réaliser un contact avec le substrat 10 ou avec une connexion réalisée sur ce substrat (connexion vers les circuits électriques du substrat). Une couche conductrice 16 est formée en contact avec la couche de passivation et dans l'ouverture 14 pour constituer une électrode inférieure de la structure de détection et pour faire un contact avec le substrat. Cette couche conductrice est recouverte de la couche de détection en copolymère ferroélectrique, 18. Enfin, la couche de détection est recouverte d'une électrode supérieure 20. La détection se fait par écrasement de la couche de copolymère 18, I'électrode supérieure 20 servant de masse sismique exerçant une pression sur la couche 18. Si m est la masse de l'électrode supérieure, la force induite pour une accélération unitaire de 1 g (g étant la force de gravitation) est F = m.g La déformation de la couche suivant l'axe vertical (accélération supposée verticale par rapport à la figure 1) est de/e = (FIS).(1/Y), S étant la surface de l'électrode supérieure, et Y le module d'Young, e l'épaisseur de la couche et de la variation de cette épaisseur. Les caractéristiques piézoélectriques de la couche génèrent une charge Q entre les deux électrodes, correspondant à un moment dipolaire M et une polarisation rémanente Pr, tels que: Pr = Q/S et M = Q.e, où e est l'épaisseur de la couche de détection. Le moment dipolaire étant supposé constant, I'application d'une contrainte ds provoque l'apparition d'un excès de charges dQ avec M = constante = Q.e = (Q+dQ).(e+de), où de est la variation d'épaisseur résultant de la contrainte. Cela donne: dQ = - Q.(de/e) = - (Pr/S).de/e Si on considère une structure de 1 00x100 micromètres carrés, avec une épaisseur de couche de détection de 10 micromètres et une électrode de 1 micromètre d'aluminium servant de masse sismique, la force résultante est F = 294 pN pour une accélération de 1g la déformation de/e est de/e = 11.8x10-12, et la variation de charge dQ est dQ = 11.8x10-12 coulomb Pour une constante diélectrique relative er de 7, la capacité de la structure entre les électrodes est C = 67 fF, et la sensibilité en tension est alors de 1 76nV/g Pour une accélération de 50 g, qui correspond au seuil de déclenchement spécifié pour un airbag, on recueille 8,8 microvolt. Le signal recueilli est proportionnel aux accélérations; ce n'est pas un signal en tout ou rien.Cependant, c'est un signal très faible. Cette sensibilité peut être améliorée par augmentation de surface utile de la couche de détection, ainsi que par augmentation de la masse de l'électrode supérieure. On peut améliorer grandement la sensibilité en utilisant une réalisation monolithique dans laquelle la couche de détection est suspendue entre deux points d'extrémité et peut donc subir des déformations plus importantes. La figure 2 représente schématiquement cette réalisation. On a repris les mêmes références qu'à la figure 1 pour les mêmes éléments . substrat 10 avec une circuiterie électronique intégrée; couche de passivation isolante 12 avec une ouverture de contact 14, ou plusieurs ouvertures 14 et 15, ou encore toute une ouverture annulaire à la périphérie de la structure; électrode inférieure 16, mais suspendue et non déposée sur la couche de passivation 12; couche de détection 18, et électrode supérieure 20, I'ensemble des électrodes 16 et 20 et de la couche de détection 18 formant la structure suspendue déformée par les accélérations ou décélérations. La structure suspendue peut reposer en deux points d'extrémités uniquement, mais elle peut aussi reposer sur toute la périphérie de la structure. L'intervalle entre la structure suspendue et la surface du substrat (plus précisément de la couche de passivation 12) est de préférence de quelques micromètres. L'accélération provoque une déformation de la couche de détection, sous l'effet du déplacement inertiel de la masse sismique. Cette déformation induit une élongation de la couche. La masse sismique qui agit pour déformer la couche comporte cette fois la masse de la couche elle-même et la masse des deux électrodes qu'elle porte. Le calcul de sensibilité est plus compliqué. On peut évaluer la sensibilité dans le cas où la structure est circulaire et maintenue sur le substrat par sa périphérie annulaire. On pense que l'ordre de grandeur du signal recueilli, pour un détecteur circulaire de 100 micromètres de diamètre et de 1 micromètre d'épaisseur est de 1 à 2 millivolts par g. Pour une accélération de 50 g, la déformation maximale de la structure est de l'ordre de 5 à 10 micromètres et la tension recueillie serait de 50 à 100 millivolts, ce qui est satisfaisant. Ces valeurs peuvent être modifiées en fonction de nombreux paramètres. La technique de fabrication peut être la suivante: - réalisation d'un substrat de silicium et intégration dans ce substrat de circuits électroniques tels qu'un amplificateur de lecture des variations de charge aux bornes de la couche de détection, puis passivation du substrat; - ouverture de contacts dans la couche de passivation pour connecter l'électrode inférieure d'abord puis ultérieurement l'électrode supérieure aux circuits du substrat; - dépôt d'une métallisation (titane par exemple) pour reprise du contact dans les ouvertures de la couche de passivation; cette métallisation est de préférence assez épaisse (plusieurs micromètres) pour constituer un piédestal de support de la structure suspendue; le titane est gravé pour laisser subsister le titane essentiellement là où la structure suspendue reposera; pour une structure suspendue par sa périphérie, on laissera subsister une couche de titane annulaire correspondant à cette périphérie, reposant en partie sur la couche de passivation et en partie dans les ouvertures de contact de celle-ci; - dépôt d'une couche épaisse sacrificielle d'aluminium (plusieurs micromètres d'épaisseur); elle sera enlevée ultérieurement pour réaliser une structure suspendue; le choix de l'aluminium résulte principalement de la possibilité d'attaquer ensuite cette couche sacrificielle sans attaquer la couche de détection en copolymère ferroélectrique, et sans attaquer les électrodes (qu'on choisira de préférence en titane pour cette raison); - gravure de vias dans cette couche d'aluminium pour faire apparaître les dépôts de titane; - dépôt de l'électrode inférieure, en titane, sur la couche d'aluminium restante et sur la couche de titane précédente; - dépôt d'une couche de copolymère ferroélectrique et recuit de polymérisation; la couche déposée peut être une solution de polymères dans un solvant; le dépôt est fait par centrifugation et le solvant est évaporé, après quoi une opération de recuit est effectuée pour la polymérisation de la couche (à 1600C environ); - dépôt d'un film d'aluminium mince (200 à 300 angströms par exemple) pour servir d'électrode temporaire de polarisation de la couche ferroélectrique; - polarisation de la couche de copolymère par application d'une tension élevée (de l'ordre de 150 volts par micromètre, soit une tension de quelques centaines de volts entre l'électrode inférieure de titane et l'électrode supérieure provisoire d'aluminium); la couche d'aluminium épais court-circuite toute la circuiterie électronique de sorte qu'il n'y a pas de risque de claquage de cette circuiterie pendant l'opération de polarisation; en cas de défaut dans le copolymère, le film mince est volatilisé localement à l'endroit de ce défaut.Le défaut est alors isolé électriquement à cet endroit mais ne perturbe pas la polarisation des zones voisines non affectées de défauts. Après la polarisation, on ne peut plus dépasser la température de Curie du matériau ferroélectrique (environ 125"C) sous peine de perdre la polarisation. Les bâtis de gravure de plasma utilisés par la suite doivent être équipés de systèmes de refroidissement si nécessaire. - retrait du film d'aluminium supérieur; dépôt de l'électrode supérieure en titane; - gravure photolithographique de cette électrode supérieure; - gravure du copolymère en utilisant l'électrode supérieure comme masque de gravure; - gravure humide de l'aluminium épais jusqu'à suppression complète pour réaliser la structure suspendue. La figure 3 représente une réalisation pratique pour la connexion de l'électrode supérieure à un plot de liaison par fil. On peut prévoir que le copolymère comporte une partie qui s'étend au delà de la structure suspendue proprement dite, et que l'électrode supérieure s'étend aussi sur cette extension du copolymère (à droite sur la figure 3). Le copolymère isole l'électrode supérieure du substrat. Un plot 22 de soudure de fil de liaison est prévu sur le substrat et est réservé à la connexion de l'électrode supérieure 20 vers l'extérieur. C'est en principe un plot d'aluminium. La couche de détection et son électrode 20 s'avancent jusqu'au dessus d'une partie de ce plot, sans le recouvrir complètement. Un fil 24, en général un fil d'or, est soudé entre ce plot et un plot correspondant (non représenté) du boîtier dans lequel l'accéléromètre monolithique est encapsulé.Pour la liaison entre l'électrode 20 et le plot 22, une goutte 26 de colle conductrice est déposée à l'extrémité de la couche de détection; cette goutte repose à la fois sur l'électrode 20 et sur le plot 22 et les relie électriquement. II est très souhaitable qu'on puisse tester complètement le composant. Mais tester la réponse à une excitation mécanique est très difficile. Une solution consiste à utiliser les propriétés pyroélectriques de la couche de copolymère ferroélectrique. En effet, les coefficients pyroélectrique et piézoélectrique du matériau sont étroitement corrélés et dépendant l'un de l'autre, ils sont liés à la cristallinité du matériau et à la polarisation rémanente. La cristallinité du matériau est figée pour un matériau donné si les conditions de recuit sont figées. En mesurant la réponse à une excitation thermique, on caractérise l'efficacité de la polarisation et on vérifie que la structure est bien suspendue. Le coefficient piézoélectrique et le coefficient pyroélectrique sont tous deux fonction de la polarisation rémanente. Le coefficient pyroélectrique dépend en outre de la chaleur spécifique, des coefficients de dilatation du matériau, etc. Si on établit une loi de corrélation entre le comportement pyroélectrique et le comportement piézoélectrique d'un capteur dont le fonctionnement a été complètement validé, on peut en tirer des lois de comportement piézoélectrique de capteurs non validés mais qui correspondraient suffisamment étroitement au comportement pyroélectrique du capteur validé. Par exemple, si la structure réalisée possède un défaut de suspension, établissant une dérivation thermique qui ne devrait pas exister, ceci sera détectable par une mesure de comportement en température. L'ordre de grandeur de sensibilité thermique est de 2 volts par degré Kelvin. En faisant circuler un courant pulsé dans l'électrode supérieure, on provoque un échauffement de la couche et donc une variation de tension aux bornes du détecteur. La caractérisation du détecteur et le test du détecteur en fonction de la fréquence peut donc être réalisé en test de plaque (incorporant une multiplicité de capteurs non encore séparés les uns des autres) en test de capteur encapsulé en boîtier, et enfin également in situ quand le capteur est installé dans un système. Un test optique peut aussi être réalisé en plaque ou en boîtier. La source optique est de préférence une diode laser à 1,5 micromètre ou 0,9 micromètre de longueur d'onde, dont la lumière est dirigée sur la couche de détection par une fibre optique. Le laser est piloté par le testeur qui envoie un train d'impulsions. Le principe est le même que pour le test thermique, mais cette fois c'est le laser qui provoque un échauffement de la couche de détection et qui permet de la caractériser. Si besoin est, ce test peut aussi se faire sur le système final après intégration du capteur, en équipant le boîtier d'un hublot identique à celui des diodes électroluminescentes. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre possédant une couche sensible aux accélérations, formée sur un substrat monolithique, caractérisé en ce que la couche de détection (18) est une couche d'un copolymère ferroélectrique polarisé placée entre deux électrodes (16, 20), la couche de détection et les électrodes suspendues formant une structure suspendue, et en ce que des moyens sont prévus pour détecter les variations de charge piézoélectrique engendrées entre les faces de cette couche du fait des accélérations subies par le capteur. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le copolymère est un copolymère P(VF2-TrFe). 3. Accéléromètre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un substrat de silicium. 4. Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'une des électrodes (16) de la structure suspendue repose localement sur le substrat. 5. Accéléromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la structure suspendue repose à sa périphérie sur le substrat et est suspendue en son centre. 6. Accéléromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure suspendue est séparée du substrat par une distance de plusieurs micromètres. 7. Accéléromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes sont en titane. 8. Accéléromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat de silicium contient un circuit électronique intégré et en ce que les électrodes sont reliées à ce circuit.