Brevet FR2823564A1 — publié le 20021018

CAPTEUR DE PRESSION UTILISANT UNE RESINE ADHESIVE DISPOSEE ENTRE UN ELEMENT DE DETECTION ET UNE TIGE La présente invention concerne un capteur de pression servant à délivrer un signal correspondant à une pression appliquée, moyennant l'utilisation d'un effet de résistance piézoélectrique, obtenu au moyen de la liaison d'un élément formant capteur à une tige métallique. On a déjà proposé des capteurs de ce type, qui, pour détecter des pressions élevées, sont formés par fixation d'un élément de détection (plaquette de capteur) formé d'une tige métallique au moyen d'un verre à bas point de fusion, comme cela est décrit dans le brevet US N 4 840 067. Cependant, dans ce capteur de pression, étant donné qu'on utilise un verre à bas point de fusion pour fixer la plaquette de capteur à la tige métallique, un chauffage à une certaine température (par exemple environ 480 C) est nécessaire. C'est pourquoi cette liaison ou fixation ne convient pas pour des plaquettes de capteurs qui sont sensibles à la chaleur (par exemple des plaquettes comportant des parties de circuits intégrés). On envisage d'utiliser des résines adhésives pour fixer des éléments de détection à des tiges métalliques, en tant que systèmes de liaison pouvant être mis en oeuvre à des températures relativement faibles. Cependant, lorsqu'on remplace simplement le verre à bas point de fusion par une résine adhésive, en raison de la progression d'un fluage dans la résine adhésive lorsque la température varie, des contraintes agissent sur la plaquette de capteur et le signal de sortie du capteur varie dans le temps. C'est pourquoi un but de la présente invention est de réduire des fluctuations du signal de sortie du capteur, qui sont provoquées par des variations de température dans un capteur de pression formé par liaison d'un élément de détection à une tige métallique au moyen d'une résine adhésive. La présente invention est basée sur le fait que, si on ralentissait la progression du fluage, qui accompagne les variations de températures dans la résine adhésive, alors on pourrait réduire la fluctuation du signal de sortie du capteur. On sait que, dans une résine, la relation entre la vitesse de fluage CR et la contrainte # agissant sur la résine est fournie par l'expression suivante : CR = A x #B (A et B étant des constantes) Conformément à la présente invention, un capteur de pression comporte un élément de détection pouvant fonctionner sur la base de l'effet de résistance piézoélectrique, et une tige métallique fixée à cet élément de détection et le supportant. L'élément de détection et la tige métallique sont réunis par une résine adhésive. Cette résine adhésive possède une caractéristique de fluage telle que la constante B, dans l'expression ci-dessus, n'est pas supérieure à 3,5 et de préférence est inférieure à 3,0. Par conséquent la fluctuation du signal de sortie du capteur pourra être réduire à un niveau de tolérance admissible. En outre la résine adhésive peut être formée d'une résine imide. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément de détection contient des résistances piézoélectriques intégrées avec une partie de circuit pour le traitement de signaux fournis par les résistances piézoélectriques. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ciaprès prise en référence aux dessins annexés, sur les- quels : - la figure 1 représente une vue en coupe illustrant une forme de réalisation préférée d'un capteur de pression selon l'invention; - la figure 2 représente une vue en coupe illustrant une plaquette de capteur utilisée dans le capteur de pression représenté sur la figure 1; - les figures 3A à 3F sont des vues en coupe illustrant un procédé de fabrication de la plaquette de capteur représentée sur la figure 2; - la figure 4 est un schéma de circuit représentant un circuit en pont du capteur de pression représenté sur la figure 1; - la figure 5 est un graphique représentant les variations du signal de sortie du capteur dans le temps, dues à une résine adhésive présente dans le .capteur de pression représenté sur la figure 1 ; - la figure 6 est un graphique représentant à plus grande échelle une partie graphique de la figure 5. En se référant tout d'abord à la figure 1, un capteur de pression SI est conçu pour être utilisé en tant que capteur pour détecter une pression d'injection dans le système de commande de pression d'injection d'un moteur diesel d'un véhicule automobile. Le capteur de pression SI possède une plaquette de capteur (élément de détection) 10, qui est formée d'un semiconducteur et délivre, sur la base d'un effet de résistance piézoélectrique, un signal (signal de capteur) correspondant à une pression appliquée, et une tige métallique 20, qui est fixée à cette plaquette de capteur 10 et supporte cette dernière. La tige métallique 20 est réalisée en covar, qui est un alliage Fi-Ni-Co possédant approximativement le même coefficient de dilatation thermique que le verre ou analogue et, dans cet exemple, forme un tube cylindrique creux réalisé par exemple par usinage. A une extrémité de cette tige métallique 20 est formé un diaphragme 30 agencé sous la forme d'une partie mince possédant par exemple la forme d'un disque plat. La plaquette à capteur 10 est formée d'un semiconducteur monocristallin et est fixée à une face (la face supérieure) 31 du diaphragme 30 au moyen d'une résine adhésive 40 qui est constituée d'une résine imide thermodurcissable. Dans cet exemple la plaquette de capteur 10 est un substrat en silicium monocristallin, dont l'orientation du plan est (100) et qui possède une forme de plaque carrée. La résine adhésive 40 est de préférence une résine dont la température de durcissement est égale à 200 C ou moins et est une résine qui, à l'état durci, possède une caractéristique de fluage telle que, si sa vitesse de fluage est définie par V et la contrainte, qui est appliquée, est définie par a, la vitesse de fluage CR est fournie par l'expression suivante, A et B étant des constantes. La constante B dans cette expression est réglée de manière à ne pas être supérieure à 3,5. CR = A x #B La constante A, dans le cas d'une résine adhésive, se situe dans une gamme inférieure à 10-7 (la gamme imaginable pour une résine adhésive actuelle). Dans ce capteur de pression SI, un milieu (gaz, liquide, etc. ), qui est situé à une pression qui correspond à la pression d'injection de carburant d'un moteur ou analogue, est introduit par l'autre extrémité (non représentée) de la tige métallique 20, comme représenté par la flèche blanche sur la figure 1. Il en résulte qu'une pression est appliquée à l'autre côté (côté inverse) 32 du diaphragme 30et qu'une détection de pression est exécutée sur la base de la déformation du diaphragme 30 et de la plaquette de capteur 10. Ici, comme dimensions de la tige métallique 20 dans cette forme de réalisation, le diamètre extérieur du cylindre est égal à 6,5 mm; son diamètre intérieur est égal à 2,5 mm et l'épaisseur du diaphragme 30 est égale par exemple à 0,65 mm pour la mesure de 20 MPa ou de 1,40 mm pour la mesure de 100 MPa. La plaquette à capteur 10 est par exemple un carré de 3,56 mm x 3,56 mm, avec une épaisseur de 0,2 mm. Comme cela est représenté sur la figure 2, dans la plaquette de capteur 10 de cette forme de réalisation préférée est intégrée une résistance piézoélectrique 50 servant à produire un signal de capteur et une partie de circuit 60 servant à traiter le signal délivré par cette résistance piézoélectrique 50. La plaquette de capteur 10 est un substrat semiconducteur en silicone 15 réalisé au moyen de la formation d'une couche de type P (couche Psub) et une couche de type N- (couche épitaxiale de type N) depuis le côté arrière (le côté inférieur sur la figure) vers le côté avant (le côté supérieur sur la figure) comme représenté sur la figure 2. Une isolation est réalisée par le fait que la couche de type N- est divisée en une région servant à former la résistance piézoélectrique 50 et une région servant à former la partie formant circuit 60 au moyen de régions de type P ayant une concentration d'impuretés différente de celle de la couche de type P. La résistance piézoélectrique 50 est agencée sous la forme d'une région de type P à l'intérieur de la couche N-. Dans la pratique, au moins quatre résistances piézo- électriques 50 de ce type sont formées et constituent un circuit en pont qui est représenté sur la figure 4. La partie de circuit 60 sert à amplifier et ajuster le signal du capteur fourni par la résistance piézo- électrique 50 et est constituée par des éléments à transistors MOS, des éléments à transistors bipolaires, et analogues. Sur la figure 2, on a représenté, de la partie de circuit 60, une couche de fixation de potentiel 61, constituée par une couche de type N+ servant à fixer le potentiel de la partie de circuit 60 et une résistance 62, constituée par un film de CrSi formé sur la surface du substrat semi- conducteur en silicium 15. La surface du substrat semiconducteur en silicium 15 est recouverte par un film d'oxyde 16, et des interconnexions 17 constituées par un film mince de Al sont formées sur le film d'oxyde 16. Une connexion entre les résistances piézoélectriques 50 et des connexions entre les résistances piézoélectriques 50 et la partie de circuit 60 sont formées par des interconnexions 17 et des trous de contact aménagés dans le film d'oxyde 16. Un film protecteur 18 constitué par un film d'oxyde de silicium ou un film de nitrure de silicium ou analogue, est formé sur le film d'oxyde 16 et sur les interconnexions 17 de manière à protéger la plaquette de capteur 10. Bien que cette plaquette de capteur 10 puisse être fabriquée en utilisant une technologie de fabrication des semiconducteurs, on va expliquer un exemple de procédé de fabrication en référence aux figures 3A à 3F. Tout d'abord, comme cela est représenté sur la figure 3A, au moyen d'une implantation ionique dans des régions prédéterminées d'un côté du substrat en silicium 100 de type P, on forme des couches 101 de type P ayant une concentration différente en impuretés. Ensuite on fait croître une couche 102 de type N- sur le même côté du substrat en silicium 100, en utilisant une atmosphère d'impureté de phosphore (P) ou analogue. Ensuite, comme cela est représenté sur la figure 3B, on forme le substrat semiconducteur en silicium 15 en implantant des ions de bore (B) ou analogues dans la surface de la couche 102 de type N- et en les faisant diffuser, et on fait diffuser les couches 101 de type P jusqu'au côté de la couche 102 de type N-. C'est pourquoi dans le substrat 15, on forme des couches de type P et des couches de type N- et on réalise une isolation. Ensuite, comme cela est représenté sur la figure 3C, au moyen d'une implantation ionique ou d'un procédé de diffusion, on forme les résistances piézoélectriques 50 et la couche de fixation de potentiel 61, dans la surface du substrat semiconducteur en silicium 15. Puis, comme cela est représenté sur la figure 3D, on forme la résistance 62 constituée par un film de CrSi par dépôt en phase vapeur dans la région, servant à former le circuit, de la surface du substrat semiconducteur en silicium 15. La partie de circuit 60 est formée en tant que résultat des traitements illustrés sur les figures 3C et 3D. Ensuite, comme cela est représenté sur la figure 3E, au moyen d'un traitement thermique on forme le film d'oxyde (film d'oxyde thermique) 16 sur la surface du substrat semiconducteur en silicium 15 et on utilise la photolithographie ou analogue pour former des trous de contact en des emplacements requis d'un film d'oxyde 16. Ensuite comme représenté sur la figure 3F, on forme par dépôt en phase vapeur des interconnexions constituées par un film mince de Al. Au moyen du procédé CVD ou analogue, on forme le film protecteur 18 constitué par l'oxyde de silicium ou du nitrure de silicium pour compléter la plaquette de capteur 10 représentée sur la figure 2. On place ensuite la face arrière de cette plaquette de capteur 10 en vis-à-vis de la face avant 31 du diaphragme 30 de la tige métallique 20 et on l'applique contre cette face avant 31 du diaphragme 30 moyennant l'interposition de la résine adhésive 40. Puis on fait durcir la résine adhésive 40 par chauffage (inférieure à 200 C), ce qui permet d'achever le capteur de pression SI représenté sur la figure 1. On va maintenant décrire, en se référant également à la figure 4, le fonctionnement du capteur de pression décrit précédemment. La figure 4 est un schéma d'un circuit en pont formé de quatre éléments piézoélectriques 50 (51 à 54) disposés selon un montage en pont de Wheats- tone. Tout d'abord, lorsqu'on applique une pression dans la direction de la flèche blanche sur la figure 1, le diaphragme 30 et la plaquette de capteur 10 se déforment. A cet instant, si on applique une tension continue Vcc entre les bornes d'entrée Ia et Ib du pont de Wheatstone, cette distorsion se manifeste par des changements de résistance des résistances piézoélectriques 51 à 54, et une tension (signal de capteur) Vout à un niveau correspondant à la pression détectée est délivrée entre les bornes de sortie Pa et Pb. Ce signal de capteur Vout est amplifié et ajusté par la partie de circuit 60 et est délivré à l'extérieur en tant que signal de sortie du capteur par l'intermédiaire d'éléments d'interconnexion (fils de liaison, etc. ) (non représentés) connectés à la plaquette de capteur 10. De cette manière, une détection de pression est effectuée dans le capteur de pression SI. Dans cette forme de réalisation, la résine adhésive 40 qui fixe entre elles la plaquette de capteur 10 et la tige métallique 20 est choisie de manière à posséder une caractéristique de fluage telle que la constante B dans l'expression de la vitesse de fluage n'est pas supérieure à 3,5 (et de préférence est inférieure à 3,0) pour les raisons indiquées ci-après. Lorsque la résine adhésive 40 présente la caractéristique de fluage définie par l'expression cidessus, dans le cas de contraintes thermiques à haute température ou à faible température, la résine adhésive 40 se déforme plastiquement et cette déformation applique des contraintes de distorsion à la plaquette de capteur 10. Par conséquent, lorsque ceci se produit, dans un capteur qui utilise un effet de résistance piézoélectrique, le signal de sortie du capteur varie. Ceci suggère qu'il est possible de réduire des variations ou fluctuations du signal de sortie du capteur en ralentissant la progression du fluage qui accompagne des variations de température dans la résine adhésive 40. C'est-à-dire qu'en réduisant la constante B dans l'expression ci-dessus pour l'amener dans une gamme prédéterminée, il est possible de ralentir la vitesse de fluage CR, c'est- à-dire la progression du fluage et de réduire de ce fait les variations du signal de sortie du capteur, qui sont provoquées par des variations de température, à un niveau admissible dans la pratique. Les facteurs problématiques sont l'amplitude de la variation de fluctuations et la durée de fluctuations du signal de sortie du capteur. Ici une condition requise a été établie, selon laquelle, lorsque le capteur de pression reste dans une atmosphère à la température ambiante après être resté dans une atmosphère située à une température supérieure ou inférieure à la température ambiante pour l'application d'une contrainte thermique au capteur de pression, le signal de sortie du capteur doit revenir en l'espace de deux heures au signal qui a été présent avant l'application de la contrainte thermique, et il ne doit se produire ensuite aucune fluctuation du signal de sortie. Cette condition est réglée pour les raisons indiquées ci-après. Dans le procédé de fabrication décrit précédemment, lorsque la plaquette de capteur 10 et la tige métallique 20 sont fixées entre elles avec la résine adhésive, elles sont chauffées à une température maximale d'environ 200 C. Du point de vue productivité, il faut effectuer un processus de test dans l'espace des deux heures d'exécution de ce chauffage. Cette étape de test sert à vérifier la caractéristique de sortie du capteur et à effectuer un ajustement du signal de sortie, etc. Le capteur de pression SI est monté sur un boîtier lors d'une étape intervenant ensuite, mais aucune chaleur n'est alors appliquée. Par conséquent, on a préparé différentes résines adhésives 40 possédant des constantes A et B différentes dans l'expression suivante, par exemple en modifiant la composition de la résine imide dans la résine adhésive 40, et on a testé les fluctuations du signal de sortie de capteurs de pression SI en utilisant différentes résines adhésives 40. Tout d'abord, les caractéristiques de fluage d'une résine adhésive sont fournies par la relation définie par l'équation ci-dessus (dans laquelle on a A Cette relation peut être obtenue aisément comme suit. C'est-à-dire que la chaleur et la contrainte de traction sont appliquées à une masse de l'adhésif, et on a mesuré la contrainte et le taux d'extension. On applique ces résultats de mesure pour simplifier l'équation de Lawson-Millar, une équation connue exprimant d'une manière générale le phénomène de fluage. A partir des courbes de mesure actuelles, on sélectionne trois points de charge quelconques (contrainte), de température et d'extension, et à partir de ces points, on obtient la relation ci-dessus entre la vitesse de fluage CR et la contrainte #. log a = (1,118 x 10-3) x (7,744 - log CR) T + 4,132 Ici # est la contrainte, CR est la cadence de fluage. L'expression ci-dessus de la vitesse de fluage CR est obtenue en réarrangeant l'expression ci-dessus de log a en réglant la température absolue T sur une température fixe (par exemple la température ambiante). Dans l'expression ci-dessus de la cadence de fluage CR, avec la constante A située dans la gamme inférieure à 10-7, on a modifié la constante B pour la régler sur différentes valeurs et on a étudié, par analyse, la variation dans le temps du signal de sortie du capteur. Ici, en partant d'un état se situant juste après l'application d'une contrainte thermique (200 C, qui est la température de durcissement de la résine adhésive) au capteur de pression SI, on a examiné la variation dans le temps du signal de sortie du capteur en laissant le capteur de pression SI dans une atmosphère à la température ambiante. Comme résultat de cette analyse, on a trouvé que la condition requise réglée comme décrit précédemment peut être satisfaite si la constante B n'est pas supérieure à 3,5. Un exemple de résultats de cette analyse est représenté sur la figure 5. Sur la figure 5, la constante A est égale à 10-10. La figure 6 est une vue à plus grande échelle de la gamme représentée sur la figure 5 et atteint jusqu'à 2,5 heures après l'application de la contrainte thermique. Sur ces figures, l'axe horizontal représente le temps (h) et l'axe vertical représente le signal de sortie (mV) du capteur. Ici , dans le cas où la constante B est B = 3,5, bien que ceci ne soit pas représenté sur la figure 5, même au bout de 2,5 heures, le signal de sortie est constant comme dans le cas de B = 3,0 représenté sur la figure 5. Sur la figure 5 et sur la figure 6 on peut voir que si la constante B est égale à 3, 5 ou moins, le signal de sortie du capteur revient dans l'espace de deux heures après l'application de la contrainte thermique au signal de sortie à la température ambiante présent avant l'application de la contrainte thermique, et ensuite il n'existe aucune fluctuation du signal de sortie, et un signal de sortie constant du capteur peut être maintenu. En outre, comme cela est représenté sur la figure 5 et la figure 6, lorsque la constante B est égale à 4,0, 6,771 ou 8,0, le signal de sortie du capteur varie même au bout de deux heures, à partir de l'instant où la contrainte thermique a été appliquée. Lorsque la constante B est élevée, à 20,0 ou 67,11, la différence du signal de sortie du capteur entre la température élevée (par exemple 200 C) et la température ambiante, est trop élevée, ce qui s'oppose à une réduction maximale de la fluctuation du signal de sortie du capteur provoquée par des variations de température. A partir des résultats représentés sur la figure 5 et la figure 6, il est évident qu'une constante faible B est préférable et que l'adhésif formé d'une résine 40 possédant une caractéristique de fluage telle que la constante B est inférieure à 3,0 permet d'obtenir, à un niveau élevé, l'effet de réduction maximale de la fluctuation du signal de sortie du capteur, due à des variations de température. Une tendance similaire à celles de la figure 5 et de la figure 6 est obtenue indépendamment de la constante A (audessous de 10-7). Etant donné que dans cette forme de réalisation préférée, le capteur de pression 10 et la tige métallique 20 sont réunis de façon appropriée l'un à l'autre en utilisant la résine adhésive 40 possédant une température de liaison inférieure à celle du verre à faible point de fusion utilisé dans la technique associée, il peut être effectivement appliqué même à un élément de détection ayant une résistance relativement faible pour la chaleur, comme par exemple la plaquette à capteur 10 équipée des résistances piézoélectriques 50 et de la partie de circuit 60, qui sont intégrées. En raison de la faible résistance à la chaleur des éléments à transistors et analogues constituant la partie de circuit, un élément de capteur avec lequel une partie de circuit est complètement intégrée (une plaquette de capteur intégré) est moins résistante à la chaleur qu'un élément de capteur (de type discret) comportant uniquement les résistances piézoélectriques, et la fixation de plaquette de capteur intégré posait des problèmes avec le verre à faible point de fusion de la technique connexe. La température de durcissement (température de liaison) de la résine adhésive 40 est de préférence inférieure à 200 C ceci prenant en compte la résistance à la chaleur du dispositif constituant la partie de circuit 60 telle que les dispositifs formant transistors 20 et des dispositifs à transistors bipolaires. Dans un capteur de pression, dans lequel il se pose un problème avec le signal de sortie du capteur, on a effectué un ajustement du signal de sortie ; si à cet instant il existe une variation dans le temps du signal de sortie du capteur, l'ajustement de sortie ne peut pas être exécuté. Cependant, avec cette forme de réalisation préférée, étant donné que la fluctuation du signal de sortie du capteur provoquée par des variations de température peut être réduite au maximum, ce type de problème peut être empêché. Un capteur de pression selon l'invention peut naturellement être d'un type discret, en dehors du type intégré décrit ci-dessus. La tige métallique peut être réalisée sans diaphragme, l'invention étant appliquée à n'importe quel capteur de pression ayant un passage d'introduction de pression servant à guider une pression jusqu'à un élément de détection. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression (Sl) caractérisé en ce qu'il comporte : un élément de détection (10) pour délivrer un signal correspondant à une pression appliquée, une tige (20) fixée à l'élément de détection et supportant l'élément de détection, une résine adhésive (40) fixant l'élément de détection à la tige, la résine adhésive (40) possédant une caractéristique de fluage telle que, si on définit par CR sa vitesse de fluage et # sa contrainte, sa vitesse de fluage CR est définie par CR = A x aB, A et B étant des constantes et la constante B n'étant pas supérieure à 3,5. 2. Capteur de pression (Sl) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la constante B n'est pas supérieure à 3. 3. Capteur de pression (SI) selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la résine adhésive (40) comprend une résine imide. 4. Capteur de pression (SI) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément de détection (10) contient des résistances piézoélectriques (50) intégrées avec une partie de circuit (60) pour le traitement de signaux fournis par les résistances piézoélectriques (50).