Brevet FR2742230A1 — publié le 19970613

ACCELEROMETRE ET PROCEDE DE FABRICATION Le domaine de l'invention est celui des microstructures déformables à fonctionnement bidirectionnel, en particulier, celui des accéléromètres comprenant une masse mobile reliée à un cadre fixe par l'intermédiaire de bras fins de suspension. Les accélérations subies par la masse mobile peuvent typiquement être détectées grace à la présence de jauges piézorésistives au niveau des bras fins de suspension. De telles jauges piézorésistives peuvent également commander un dispositif d'asservissement électromagnétique de la masse mobile, pour en compenser les déplacements. Dans ce cas, les jauges de contraintes de l'accéléromètre sont destinées à générer au moyen d'un circuit électronique, un courant d'alimentation d'une bobine pour compenser, par des phénomènes d'induction électromagnétique, un déplacement de la masse mobile sous l'effet de conditions extérieures, par exemple de mouvements sismiques. Actuellement, de tels accéléromètres peuvent être élaborés à partir de plaquettes de silicium, en utilisant des techniques de gravure du silicium, développées dans le cadre de la fabrication des composants électroniques à semiconducteurs. L'emploi de telles technologies permet de réaliser la masse mobile et les éléments qui y sont associés par un processus collectif sur des tranches de silicium et ainsi de définir une série de capteurs d'accélération, en un nombre limité d'étapes technologiques. Typiquement, la fabrication de ce type de capteurs comprend l'assemblage de plusieurs plaquettes de silicium, au moins une plaquette centrale dans laquelle est réalisée la masse mobile et deux plaquettes extérieures possédant des éléments de butées pour la masse mobile, permettant ainsi de limiter l'ampleur des mouvements auxquels pourrait être soumis ladite masse mobile, et donc d'optimiser la protection de la masse mobile et des bras de suspension. Un exemple d'accéléromètre constitué d'au moins trois plaquettes de silicium selon l'art connu est illustré en figure 1. Plus précisément, la figure 1 illustre une coupe transversale de ce type d'accéléromètre dont la fabrication résulte notamment de l'assemblage de 4 plaquettes de silicium, une plaquette dite supérieure constituant une partie du cadre fixe et comprenant des butées supérieures Bs, deux plaquettes centrales constituant la masse mobile 1 et une partie du cadre fixe et une quatrième plaquette, dite inférieure comprenant une partie du cadre fixe et un plan de butée Bi pour la face inférieure de la masse mobile. Pour simplifier l'architecture de ce type d'accéléromètre et en faciliter le procédé de fabrication, l'invention a pour objet un accéléromètre résultant de l'assemblage des deux plaquettes dans lesquelles tous les éléments et fonctions sont définis (masse mobile, bras de suspension, cadre, fonctions de butées). Plus précisément, I'invention a pour objet un accéléromètre comprenant une masse mobile 1 reliée à un cadre fixe 3 caractérisé en ce que la masse mobile 1 et le cadre fixe 3 sont définis dans l'empilement de deux plaques de silicium monocristallin dites plaque supérieure 6 et plaque inférieure 7 - la plaque supérieure comprenant: * la partie supérieure 11 de la masse mobile, comportant deux contre-butées 41 et 42 le long d'un axe Y défini dans le plan de la masse mobile; * la partie supérieure 31 du cadre fixe, comportant deux butées 43 et 44 le long d'un axe X perpendiculaire à l'axe Y et défini dans le plan de la masse mobile; * les parties Il et 31 étant reliées par des bras de suspension 21 et22; - la plaque inférieure comprenant:: * la partie inférieure 12 de la masse mobile, comportant deux contre-butées 45 et 46 le long de l'axe X; la partie inférieure 32 du cadre fixe, comportant deux butées 47 et 48 le long de l'axe Y; - les contre-butées 41 et 42 étant en regard des butées 47 et 48; - les contrebutées 45 et 46 étant en regard des butées 43 et 44. Par convention, les butées sont définies comme des éléments fixes de l'accéléromètre sur lesquelles viennent buter des contre-butées, éléments mobiles de l'accéléromètre. Selon une variante de l'invention, l'accéléromètre est caractérisé en ce que: - la partie Il comprend une partie centrale 13 et deux bras de blocage 14 et 15 situés de part et d'autre de ladite partie centrale, selon l'axe Y; - la partie 31 comprend une partie périphérique 33 et deux bras 34 et 35 situés à l'intérieur de la partie périphérique, selon l'axe X, la plaque supérieure 6 comprenant deux bras de suspens ion 21 et 22 reliant la partie centrale 13 aux bras 34 et 35; - la partie 12 comprend une partie centrale 16 et deux bras de blocage 17 et 18 situés de part et d'autre de ladite partie centrale, selon l'axe X; - la partie 32 comprend une partie périphérique 36 et deux bras 37 et 38 situés à l'intérieur de la partie périphérique selon l'axe Y; - les contre-butées 41 et 42 étant définies dans les bras de blocage 14 et 15;; - les butées 43 et 44 étant définies dans les bras 34 et 35; - les contre-butées 45 et 46 étant définies dans les bras de blocage 17 et 18; - les contre-butées 47 et 48 étant définies dans les bras 37 et 38. Selon une variante de l'invention, les plaques 6 et 7 de l'accéléromètre comprennent des bras fins de guidage reliant la masse mobile 1 au cadre 3 de manière à ce que seuls des mouvements de la masse mobile selon un axe Z perpendiculaire au plan de ladite masse soient possibles. Avantageusement, ces bras peuvent être situés selon deux axes orientés à 45" des axes X et Y et situés au niveau de la partie supérieure de la plaque 6 et au niveau inférieur de la plaque inférieure 7, c'est-à-dire dans des plans correspondant au plan extérieur de la plaque 6 et au plan extérieur de la plaque 7, les plans intérieurs desdites plaques correspondant au plan de contact de cesdites plaques. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées, parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un accéléromètre selon l'art antérieur; - la figure 2a illustre la plaque supérieure utilisée dans un exemple d'accéléromètre selon l'invention; - la figure 2b illustre la plaque inférieure utilisée dans un exemple d'accéléromêfre selon l'invention; - la figure 3a illustre une coupe transversale selon un plan représenté par l'axe AA' de l'ensemble des plaques 6 et 7, représentés sur les figures 2a et 2b; - la figure 3b illustre une coupe transversale selon un plan représenté par l'axe BB' de l'ensemble des plaques 6 et 7 représentées sur les figures 2a et 2b - la figure 4a illustre un exemple de plaque 6 avec quatre bras de guidage;; - la figure 4b illustre un exemple de plaque 7 avec quatre bras de guidage; - la figure 5 illustre les étapes de procédé de réalisation d'une plaque inférieure utilisée dans un accéléromètre selon l'invention; - la figure 6 illustre les étapes de procédé de réalisation d'une plaque supérieure utilisée dans un accéléromètre selon l'invention. Un mode de réalisation de l'accéléromètre selon l'invention est illustré par l'ensemble des figures 2 et 3. Les figures 2a et 2b sont relatives aux plaques 6 et 7 dont l'empilement permet de définir la masse mobile 1 reliée à un cadre fixe 3. La figure 2a est relative à la plaque supérieure 6. Cette plaque 6 comprend la partie supérieure Il de la masse mobile constituée d'une partie centrale 13 et de deux bras de blocage 14 et 15 situés de part et d'autre de la partie centrale et orientés sur la figure 2a selon l'axe Y. La plaque supérieure 6 comprend aussi la partie supérieure 31 du cadre fixe, constituée d'une partie périphérique 33 et de deux bras 34 et 35, orientés sur la figure 2a selon l'axe X. Une partie 42 du bras de blocage 15 et une partie 43 du bras de blocage 14 constituent des contrebutées sur la partie 11 de la masse mobile. Une partie 43 du bras 34 et une partie 44 du bras 35 constituent des butées sur la partie 31 du cadre fixe. Cette plaque 6 comprend également deux bras de suspension 21 et 22 reliant la partie centrale 13 de la masse mobile aux bras 34 et 35 solidaires du cadre fixe. La figure 2b est relative à la plaque inférieure 7. Cette plaque 7 comprend la partie inférieure 12 de la masse mobile constituée d'une partie centrale 16 et de deux bras de blocage 17 et 18 orientés sur la figure selon l'axe X. La plaque 7 comprend également la partie inférieure 32 du cadre fixe, constituée d'une partie périphérique 36 et de deux bras 37 et 38, orientés sur la figure selon l'axe Y. Une partie 42 du bras de blocage 15 et une partie 41 du bras de blocage 14 constituent des contre-butées respectivement en regard de la butée 48 partie du bras 38 et de la butée 47 partie du bras 37. De même, une partie 45 du bras de blocage 17 et une partie 46 du bras de blocage 18 constituent des contre-butées respectivement en regard de la butée 43 du bras 34 et de la butée 44 du bras 35. Les figures 3a et 3b illustrent comment peuvent être réalisées les différentes butées et les différentes contre-butées. Les bras 17, 18, 37 et 38 de la plaque inférieure 7 présentent la même architecture. Ils sont constitués d'un second élément d'épaisseur e1 inférieure à l'épaisseur e0 d'une plaque de silicium. La différence d'épaisseur entre ces bras et les autres parties de la plaque de silicium permet d'élaborer des butées ou contre-butées pour les contre-butées ou butées qui sont respectivement en regard. Les bras 14, 15, 34 et 35 de la plaque supérieure 6 présentent tous la même architecture. Ils sont constitués d'un seul élément d'épaisseur eO, une partie de chaque bras étant en regard de la partie amincie constituant un bras dans la plaque inférieure 7. Nous allons décrire un exemple de procédé de réalisation d'un accéléromètre selon l'invention, élaboré à partir de l'empilement de deux plaques de silicium. Les figures 5 et 6 illustrent respectivement les étapes de procédé de réalisation de la plaque inférieure sans jauge piézorésistive et le procédé de réalisation de la plaque supérieure avec jauges piézorésistives. Plus exactement, I'ensemble de la figure 5 décrit la réalisation des éléments 36,17, 16 représentés en figure 3a, et l'ensemble de la figure 6 décrit la réalisation des éléments 33, 43, 21, 13 représentés en figure 3a. Pour conférer une certaine robustesse à l'accéléromètre, les plaques supérieure et inférieure peuvent comprendre des bras fins de guidage, assurant un maintien de la masse mobile par rapport au cadre fixe. Les figures 4a et 4b illustrent un exemple de configuration dans laquelle la plaque supérieure comprend quatre bras de guidage 81, 82, 83, 84 (figure 4a) et la plaque inférieure comprend également quatre bras de guidage 85, 86, 87, 88 (figure 4b). Typiquement, les bras de guidage peuvent avoir une épaisseur voisine de celle des bras de suspension 21 et 22 et être d'une part situés dans la partie supérieure de la plaque 6 (dans le même plan que les bras de suspension) et situés d'autre part dans la partie inférieure de la plaque 7. Pour élaborer les différents éléments de la plaque inférieure 7, on peut utiliser un substrat de type SIMOX correspondant à un substrat silicium monocristallin dans lequel est implantée une couche d'oxyde 90 (figure 5a). Deux couches d'oxyde ou de nitrure 91 et 92 sont ensuite réalisées sur les deux faces du substrat de type SIMOX (figure 5b). On réalise un masque par photolithographie et gravure au niveau de la couche 91 (figure 5c). Ce masque est affiné par une seconde étape de gravure comme l'illustre la figure 5d. On procède à une gravure chimique classique du silicium dans les régions dépourvues de couche de protection (figure Se). La couche d'oxyde ou de nitrure 91 est ensuite amincie comme illustrée en figure 5f. On procède à une seconde étape de gravure silicium qui permet de définir la contre butée 45 dans le bras de blocage 17 (figure 59). On procède enfin à une étape de gravure laser qui conduit à la séparation du bras de blocage 17 de la partie périphérique 36 du cadre fixe (figure 5h). Pour réaliser les fonctions désirées au niveau de la plaque supérieure 6, il peut être particulièrement avantageux d'utiliser une plaquette de silicium dans laquelle ont été réalisées deux couches isolantes 93 et 94, ladite plaquette étant par ailleurs recouverte sur la face opposée d'une couche isolante 95. Les deux couches implantées 93 et 94 peuvent être réalisées de plusieurs manières. On peut utiliser une plaquette de type SIMOX dans laquelle est implantée de manière classique la couche 93. On peut de manière classique implanter une couche d'épaisseur 4000 A, à une profondeur d'environ 4000A. II est alors possible de procéder par épitaxie à la croissance de la couche de silicium monocristallin. Dans cette couche épitaxiée on peut alors implanter la couche d'oxyde 94 (figure 6a). Un autre procédé consiste à souder à haute température deux plaquettes de silicium dont une est oxydée en surface. On obtient un ensemble de deux plaquettes de silicium assemblées au niveau de la couche d'oxyde qui constitue alors la couche 93. L'une des plaquettes peut ensuite être usinée de manière à définir l'épaisseur désirée de silicium dans laquelle on peut réaliser une implantation ionique d'oxygène pour définir la couche 94. La couche 96 de faible épaisseur permet de définir des éléments de silicium isolés du reste des plaquettes pouvant constituer des jauges piézoélectriques mieux définies et calibrées que celles résultant de manière classique, d'implantation au sein d'un substrat silicium (figure 6b). Les jauges piézoélectriques sont protégées par une couche 97 de nitrure par exemple, ou d'oxyde, ou les deux, des ouvertures au niveau de la couche 97 sont localement réalisées pour permettre les connexions électriques (figure 6c). Une couche conductrice peut alors être déposée puis gravée pour former de manière connue, des pistes de raccordement de chaque jauge, non représentée en figure 6c. Un masque est réalisé par gravure au travers de la couche 95 comme illustré en figure Sd. La fabrication de ce masque est suivie d'une étape de gravure chimique du silicium, permettant de définir le bras de suspension 21, le bras 34 avec sa butée 43 ainsi que la partie centrale supérieure de la masse mobile 13. Les deux plaques de silicium 6 et 7 ainsi usinées peuvent être soudées par chauffage typiquement à une température de l'ordre de 1 0000C. L'assemblage des deux plaques peut être effectué avant de réaliser la découpe laser illustrée en figure 5h qui permet de désolidariser le bras de blocage 17 de la partie périphérique du cadre 36, de manière à faciliter ledit assemblage. Pour réaliser les bras 14, 15, 37 et 38 selon l'axe Y, on utilise également toutes les étapes qui ont été décrites ci-dessus. Les bras fins de guidage 81, 82, 83, 84 peuvent également être réalisés dans la plaque supérieure de la même façon que les bras fins de suspension et dans le meme plan grace à la couche d'arrêt de gravure. Les bras fins de guidage 85, 86, 87, 88 peuvent aussi être réalisés dans la plaque inférieure grâce à la couche de silicium comprise entre les couches d'oxyde 90 et 92. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre comprenant une masse mobile (1) reliée à un cadre fixe (3) caractérisé en ce que la masse mobile (1) et le cadre fixe (3) sont définis dans l'empilement de deux plaques de silicium monocristallin dites plaque supérieure (6) et plaque inférieure (7) - la plaque supérieure comprenant: * la partie supérieure (11) de la masse mobile, comportant deux contre-butées (41) et (42) le long d'un axe (Y) défini dans le plan de la masse mobile; * la partie supérieure (31) du cadre fixe, comportant deux butées (43) et (44) le long d'un axe (X) perpendiculaire à l'axe (Y) et défini dans le plan de la masse mobile; les parties (lui) et (31) étant reliées par des bras de suspension (21) et (22); - la plaque inférieure comprenant:: * la partie inférieure (12) de la masse mobile, comportant deux contre-butées (45) et (46) le long de l'axe (X); * la partie inférieure (32) du cadre fixe, comportant deux butées (47) et (48) le long de l'axe (Y); - les contre-butées (41) et (42) étant en regard des butées (47) et(48); - les contre-butées (45) et (46) étant en regard des butées (43) et (44). 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - la partie (11) comprend une partie centrale (13) et deux bras de blocage (14) et (15) situés de part et d'autre de ladite partie centrale, selon l'axe (Y); - la partie (31) comprend une partie périphérique (33) et deux bras (34) et (35) situés à l'intérieur de la partie périphérique, selon l'axe (X), la plaque supérieure (6) comprenant deux bras de suspension (21) et (22) reliant la partie centrale (13) aux bras (34) et (35); - la partie (12) comprend une partie centrale (16) et deux bras de blocage (17) et (18) situés de part et d'autre de ladite partie centrale, selon l'axe (X); - la partie (32) comprend une partie périphérique (36) et deux bras (37) et (38) situés à l'intérieur de la partie périphérique selon 'I'axe (y);; - les contre-butées (41) et (42) étant définies dans les bras de blocage (14) et (15); - les butées (43) et (44) étant définies dans les bras (34) et (35); - les contre-butées (45) et (46) étant définies dans les bras de blocage (17) et (18); - les butées (47) et (48) étant définies dans les bras (37) et (38). 3. Accélérométre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les plaques (6) et (7) comprennent des bras fins de guidage, reliant la masse mobile (1) au cadre fixe (3), lesdits bras étant situés selon deux axes orientés à 45C des axes (X) et (Y). 4. Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la plaque supérieure (6) comprend quatre bras de guidage (81), (82), (83), (84) et que la plaque inférieure (7) comprend quatre bras de guidage (85), (86), (87), (88), lesdits bras (81), (82), (83), (84) étant situés au niveau supérieur de la plaque (6), lesdits bras (85), (86), (87), (88) étant situés au niveau inférieur de la plaque (7). 5. Accéléromètre selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les bras de suspension (21) et (22) comprennent des jauges piézorésistives. 6. Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un système d'asservissement électromagnétique de la masse mobile (1).