Brevet FR2866428A1 — publié le 20050819

Domaine de l'invention La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un capteur de pression micromécanique, ce capteur comprenant: au moins une membrane et un élément de mesure sur la membrane, l'élément de mesure générant une grandeur de mesure par allongement et/ ou contraction, cette grandeur de mesure représentant une pression appliquée à la membrane et/ou une différence de pression appliquée sur les deux faces de la membrane, l'élément de mesure ayant au moins en partie une couche NiCr(Si). La présente invention concerne également un capteur micromécanique de pression comprenant au moins une membrane et - un élément de mesure sur la membrane, l'élément de mesure générant une grandeur de mesure par allongement et/ou contraction, cette grandeur représentant une pression appliquée à la membrane et/ou une différence de pression appliquée sur les deux faces de la mem-20 brane, l'élément de mesure ayant au moins une couche NiCr(Si). Etat de la technique Les capteurs haute pression s'utilisent dans de nombreux systèmes, par exemple en technique d'automatisation et dans le domaine automobile. Dans ce dernier cas on utilise les capteurs haute pression entre autres pour l'injection directe d'essence, dans l'injection directe Die-sel à rampe commune et dans la régulation de la dynamique de roulage ainsi que pour les freins électrohydrauliques. A côté des procédés de mesure capacitifs utilisés par les capteurs de pression on connaît également des procédés utilisant la piézo- résistance, selon lesquels des résistances métalliques installées sur une membrane d'acier sont branchées par exemple en pont de Wheatstone. L'allongement ou la contraction des résistances désaccorde le pont et ce désaccord génère une grandeur de mesure représentant la pression appliquée. Pour l'application au domaine automobile il faut que de tels capteurs de pression soient très sensibles, c'est-à-dire qu'ils présentent une variation de résistance aussi grande que possible sous l'effet des déforma- tions mécaniques (coefficient k élevé). Il faut en outre que les capteurs haute pression soient très stables en température, au moins entre -40 C et +140 C pour pouvoir s'utiliser dans différents domaines de l'automobile. En outre, il faut une stabilité aussi bonne que possible pendant toute la durée de vie du capteur. Dans les applications à l'automobile il s'agit par exemple d'une période de l'ordre de 10 ans. Dans les applications spéciales comme la saisie de la pression dans la chambre de combustion il faut même présenter des tenues en température allant jusqu'à environ 400 C. Le document US 4 876 893 décrit un capteur de pression 10 comportant une couche résistante en nickel, chrome et silicium pour mesurer la pression. Le document DE 103 14 770 Al, non publié antérieure-ment, décrit la fabrication d'un capteur de pression piézo-sensible dont les propriétés piézo-électriques d'une couche résistante sont améliorées par les conditions d'environnement appropriées. La cristallisation partielle d'une couche NiCr(Si) a été décrite dans Journal of Applied Physics, Vol. 87, No. 5, Brückner, page 2219 et suivantes. Dans le cas des capteurs munis de couches NiCr(Si) on peut constater une dérive à la décharge électrostatique (ESD). Cette fragilité observable de la précision de la mesure de tels capteurs représente une propriété intrinsèque de la couche résistante utilisée comme cela est par exemple décrit dans Power Dissipation of Embedded Resistorse Wang, dans IPC Printed Circuits Expo 2003 . Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un procédé du type décrit ci-dessus pour la fabrication d'un capteur micromécanique de pression, ce capteur étant caractérisé en ce qu'on cristallise au moins en partie la couche NiCr(Si) pour fabriquer le capteur micromécanique. Cette cristallisation au moins partielle s'oppose à la couche NiCr(Si), amorphe, par ses propriétés piézo-électriques avantageuses. Cette cristallisation au moins partielle rend le capteur de pression plus stable vis-à-vis de l'influence de l'environnement. C'est ainsi qu'il est par exemple possible d'utiliser le capteur de pression à des températures allant jusqu'à 400 C. Suivant une autre caractéristique avantageuse du procédé, l'élément de mesure est appliqué sur un substrat en acier et la fabrication du capteur de pression comprend au moins les étapes de procédé suivantes application d'une couche d'isolation sur la membrane en acier, application de la couche NiCr(Si) et mise en structure de la couche NiCr(Si) et une étape de recuit. En outre, il est prévu au moins une étape de recuit pendant la fabrication du capteur de pression micromécanique permettant d'assurer par exemple le vieillissement artificiel de la couche résistante, ou lo de le faire en liaison avec la mise en structure. De façon avantageuse, la cristallisation de la couche NiCr(Si) se fait pendant l'étape de recuit. On peut prévoir soit une cristallisation complète de la couche NiCr(Si) ou seulement une cristallisation partielle. La commande du degré de cristallisation peut se faire par exem- ple par la température de recuit ou sa durée. A la place d'une étape de recuit supplémentaire on peut également combiner l'étape de recuit pour la cristallisation à une étape de recuit pendant le vieillissement ou la mise en structure. Selon un développement de l'invention on dépose comme couche d'isolation une couche SiOX sur la membrane en acier. On peut en outre prévoir d'appliquer la couche NiCr(Si) par une pulvérisation. Comme mise en structure il est avantageux d'utiliser un procédé photochimique consistant à masquer la couche NiCr(Si) par une couche photorésistante. Il est également avantageux de vieillir l'élément de mesure ou l'ensemble du capteur de pression micromécanique. Pour cela, on expose par exemple l'élément de mesure à au moins une étape de recuit au cours d'un traitement en température qui simule un vieillissement artificiel. Ce procédé de vieillissement stabilise l'élément de mesure ou le capteur de pression vis-à-vis des influences de l'environnement. De façon avantageuse, l'élément de mesure est formé au moins en partie de couches résistantes. Il est prévu d'appliquer une ou plusieurs couches résistantes, notamment métalliques, par un procédé de pulvérisation sur la membrane ou sur une couche isolante. La mise en contact des couches résistantes réalisées sous la forme d'une jauge de contrainte se fait par une couche de contact spéciale ou par un système de couche correspondant comme par exemple NiCr/Pd/Au ou Ni. On peut également prévoir d'appliquer seulement localement des points de contact limités à certains endroits sur la couche résistante, points de contact permettant la transmission électrique des grandeurs de mesure saisies. Une couche de passivation, par exemple une couche SiXNy- protège la couche résistante ou l'ensemble du système de couches vis-à-vis des influen- ces. Du fait de la sensibilité poussée du pont de mesure sur la couche résistante, il est important de couvrir complètement par passivation pour permettre un fonctionnement non perturbé de l'élément de capteur. Selon un développement préférentiel de l'invention, on ex-pose le capteur de pression, la couche résistante et/ou la couche NiCr(Si) à une étape de recuit à une température supérieure à 350 C. Il est notamment prévu une cristallisation partielle de la couche NiCr(Si) à une température comprise entre 350 et 450 C. L'étape de recuit nécessaire à la cristallisation partielle, supérieure à 350 C peut se faire à différents instants pendant la fabrication du capteur de pression micromécanique. C'est ainsi que l'on peut par exemple envisager d'effectuer l'étape de recuit requise dès la mise en structure de la couche NiCr(Si) au cours d'une première étape de vieillissement. Selon une variante de l'invention, il est également possible de faire la cristallisation au cours d'une seconde étape de vieillissement à la fin de l'opération de réalisation de la couche mince. L'étape de recuit permet de stabiliser l'ensemble du système de couches. En outre, en trempant le système complet de couches à une température élevée, on prépare avantageusement le capteur de pression pour son application dans des conditions de températures extrêmes. On peut par exemple envisager d'utiliser un capteur de pression micromécanique ainsi stabilisé pour les applications en pression dans la chambre de combustion d'un véhicule automobile. La cristallisation ou cristallisation partielle qui s'effectue d'une manière significative seulement à une température > 350 C peut limiter selon l'invention la résistance spécifique de la couche résistante contenant la couche NiCr(Si) d'environ 10 %. On observe en outre une augmentation de la sensibilité ou du coefficient k d'environ 35 %. Ainsi, grâce à la plus grande sensibilité, les conditions posées à l'électronique de traitement seront moindres. En outre, pour générer une grandeur de mesure représentant la pression appliquée, il suffira d'une sollicitation mé- canique moindre de l'organe déformable, c'est-à-dire de la membrane. Cela permet entre autre d'optimiser la conception ou la linéarité et l'hystérésis. Grâce à l'augmentation du coefficient k on peut augmenter l'épaisseur de la membrane tout en ayant un signal de sortie inchangé. Les tolérances de fabrication, constantes, aboutissent dans ce cas, lors de la fabrication de la membrane, à une moindre dispersion de la sensibilité du capteur. Le traitement en température du capteur à une température > 350 C permet d'augmenter de manière importante la température de fonctionnement possible du capteur. C'est ainsi que l'on peut envisager un comportement stable à des températures arrivant jusqu'en dessous de 400 C. En même temps, le procédé de fabrication selon l'invention du capteur de pression micromécanique sera plus économique car l'étape de recuit à haute température telle que décrite se réalise comme extension d'une étape de recuit existant déjà dans l'opération relative aux couches minces. Ainsi, rien ne s'oppose à une application à un procédé de fabrication en grande série. En cas de sollicitation électrostatique (décharge ESD) d'un capteur ayant une couche NiCr(Si), on constate des dérives qui provien- nent d'une conversion de phase induite localement dans la couche NiCr(Si). La conversion de phase provient de l'influence thermique lorsque se produisent des densités de courant élevées. Dans l'application d'une couche fonctionnelle NiCr(Si) amorphe non réalisée par le procédé de l'invention, on suppose que pour une sollicitation de type ESD, on aura une conversion de phase induite localement et ainsi la formation de la phase cristalline partielle à 350 C. La présente invention permet d'effectuer au préalable la conversion de phase et d'atteindre ainsi une plus grande stabilité du capteur vis-à-vis des décharges électrostatiques (ESD) car on peut rencontrer des sollicitations de ce type par exemple au moment du montage. Des valeurs caractéristiques de telles tensions électriques se situent dans l'ordre de grandeur de 2kV. La conversion de phase effectuée lors d'une sollicitation de type ESD du composant ne peut pas produire localement une phase cristalline partielle. On a ainsi un comportement beaucoup plus stable du composant vis-à-vis des sollicitations ESD. Ainsi, à titre d'exemple, la variation du décalage du pont induite par la contrainte ESD dans un domaine de l'ordre de 2kV pourra diminuer pratiquement de deux ordres de grandeurs. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans l'unique figure annexée qui montre schématiquement la structure d'un capteur de pression. Description du mode de réalisation La figure unique montre schématiquement la structure d'un capteur de pression fabriqué selon la présente invention. La membrane 1 est intégrée dans un châssis 3 pour séparer un volume de gaz 5 à la pres- sion p5 d'un volume de gaz 6 à la pression p6. La membrane 1 peut être réalisée dans la même matière que le cadre ou châssis ou être en une matière totalement différente. Il est important pour le fonctionnement du capteur de pression de ne pas avoir d'équilibrage de pression entre le volume de gaz 5 et le volume de gaz 6 à travers la membrane 1. La membrane 1 est munie d'une couche résistante 4 en une matière conductrice ou semi-conductrice. Pour exploiter les grandeurs de mesure saisies par la couche résistante 4, on applique des lignes de contact 2 à la couche résistante pour transmettre les grandeurs de mesure en vue de leur exploitation. Le fonctionnement du capteur de pression tel que représenté avec la couche résistante 4 sera brièvement décrit ci-après: Une variation de pression d'un côté de la membrane 1, par exemple dans le volume 5, produit une déformation de la membrane. En même temps, la couche résistante 4 suit la déformation de la membrane 1 produisant un allongement ou une contraction de la couche résistante 4. Par un choix approprié des matières pour la couche résistante 4 cet allongement ou contraction produisent une variation de résistance de la couche résistante 4; en mesurant la variation de résistance on peut en conclure la déformation de la membrane 1 et ainsi de la variation de pres- sion. Le capteur de pression tel que décrit ci-dessus permet de saisir à la fois des variations de pression absolues dans un volume 5 (le volume de gaz 6 restant constant) mais également des variations de pression relatives dans les volumes 5, 6. L'application d'une couche résistante 4 sur une membrane 1 est une technique connue ne nécessitant pas de description détaillée. Dans la suite on se limitera à l'évocation schématique des étapes du pro- cédé à la base de la présente invention. Selon un exemple de réalisation préférentiel, par une opé- ration de pulvérisation, on applique une couche NiCr(Si) amorphe sur la membrane. Dans une opération de mise en structure, on applique par exemple, par un procédé photochimique, une couche de vernis photogra- phique structurée sur la couche NiCr(Si) et on expose ensuite. Par gravure chimique sélective do la couche de photovernis, exposée, on réalise la structure dans la couche NiCr(Si). Au cours d'une première étape de stabilisation ou de vieillissement on recuit la structure ainsi réalisée après détachement du vernis photographique résiduel. De manière caractéristique, on utilise des températures inférieures à 300 C qui ne produisent pas encore de cristallisation significative de la couche NiCr(Si). En augmentant la température de 350 jusqu'à 450 C, on obtient la cristallisation recherchée. Ce n'est qu'après la première étape de recuit que l'on peut réaliser le contact entre la couche résistante piézo- résistante ainsi obtenue et une couche de contact spéciale, c'est-à-dire un système de couches appropriées par exemple NiCr/Pd/Au ou Ni ou par des points de contact locaux appliqués sur la couche résistante. Par une compensation on règle la couche piézo-résistante. Par enlèvement ou addition de matière à la couche résistante, le film en couche mince permet de modifier dans certaines limites les propriétés piézo- électriques. Pour protéger le système de couches ainsi réalisé vis-à-vis des influences externes, en particulier celles de l'environnement, on applique ensuite une couche de passivation. Pour avoir un fonctionnement sans perturbation de l'élément de mesure ou de l'élément de capteur (élément de mesure y compris la membrane et les couches d'isolation ou passivation) on réalise une couverture totale de la couche résistante en dégageant d'éventuelles surfaces de contact. De manière caractéristique, on applique comme couche de passivation, une couche de nitrure, par exemple une couche SiXNy-. Ensuite, au cours d'une seconde étape de vieillissement, on effectue finalement l'opération en couches minces. Pour cela, on utilise l'étape de stabilisation du système corn- plet de couches. En variante à la cristallisation de la couche NiCr(Si), pendant la première étape de vieillissement, on peut également faire une cristallisation dans la seconde étape de vieillissement. Cette solution a l'avantage d'exposer le système complet de couches à une température élevée et de mieux stabiliser ce système contre les influences extérieures. Comme cela est connu, les conditions d'environnement influencent les caractéristiques de la couche en cours de dépôt. C'est pour-quoi pour optimiser les caractéristiques de la couche amorphe NiCr(Si) par cristallisation, on convertit en une phase bcc (structure cubique centrée) avec une constante de réseau d'environ 0,2866 nm. Dans un autre exemple de réalisation, à côté de la température dans au moins une étape de recuit ou pendant le procédé de dépôt à la vapeur ou de pulvérisation on peut également agir sur la composition de l'atmosphère pour modifier les propriétés électriques de la couche ré- sistante. On pourra tenir compte des conditions d'environnement par une alimentation en air définie (rapport oxygène/azote défini de manière précise) pendant la projection de la couche NiCr(Si). Le domaine d'application du procédé de fabrication de cap- teurs de pression micromécaniques selon l'invention concerne les applications aux conditions extrêmes de température et de pression, car la température élevée stabilise le capteur de pression dans des conditions extrêmes. La conversion de phase telle que présentée par le conditionnement thermique du système de couches à des températures supérieures à 350 C permet d'aboutir à un capteur ayant un comportement stabilisé, en particulier du point de vue de la dérive sous l'effet d'une dé-charge électrostatique (sollicitation ESD). Cela provient du fait que la conversion de phase dans la couche NiCr(Si) est pratiquement anticipée par la décharge électrostatique. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de fabrication d'un capteur de pression micromécanique, ce capteur comprenant: au moins une membrane et - un élément de mesure (4) sur la membrane (1), l'élément de mesure (4) générant une grandeur de mesure par allongement et/ou contraction, cette grandeur de mesure représentant une pression (p5, p6) appliquée à la membrane (1) et/ou une différence de pression (p5-p6) appliquée sur les deux faces de la 10 membrane, l'élément de mesure (4) ayant au moins en partie une couche NiCr(Si), caractérisé en ce qu' on cristallise au moins en partie la couche NiCr(Si) pour fabriquer le capteur micromécanique. 2 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de mesure est appliqué sur un substrat en acier et la fabrication du capteur de pression comprend au moins les étapes de 20 procédé suivantes: application d'une couche d'isolation sur la membrane en acier, application de la couche NiCr(Si) et mise en structure de la couche NiCr(Si) et une étape de recuit. 3 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' on effectue la cristallisation partielle de la couche NiCr(Si) pendant une étape de recuit. 4 ) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu' on dépose une couche SiOX comme isolation sur la membrane en acier et/ ou on applique la couche NiCr(Si) par pulvérisation et/ou on structure la couche NiCr(Si) par un procédé photochimique et/ou on effectue au moins une étape de recuit pour vieillir l'élément de me-sure. 5 ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de mesure comporte au moins en partie notamment une couche résistante métallique et la fabrication de la couche résistante se fait par une opération de pulvérisation et après réalisation de la couche résistante * on fait un contact électrique de la couche résistante et * on passive la couche résistante notamment par une couche de 10 nitrure, et en particulier la couche résistante comporte la couche NiCr(Si). 6 ) Procédé selon les revendications 1, 2 ou 5, caractérisé en ce que pour fabriquer le capteur micromécanique on réalise une étape de recuit à une température T > 350 C et il est notamment prévu que la cristallisation partielle se fait à une température comprise entre 350 et 450 C et/ou l'étape de recuit * se fait après mise en structure de la couche NiCr(Si) ou * après passivation de la couche résistante. 7 ) Capteur de pression micromécanique comprenant au moins une membrane (1) et - un élément de mesure (4) sur la membrane (1), l'élément de mesure (4) générant une grandeur de mesure par allongement et/ou contraction, cette grandeur représentant une pression (p5, p6) appliquée à la membrane (1) et/ou une différence de pression (p5-p6) appliquée sur les deux faces de la 30 membrane, l'élément de mesure (4) ayant au moins une couche NiCr(Si) , caractérisé en ce que la couche NiCr(Si) est au moins partiellement cristallisée. 8 ) Capteur de pression selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément de mesure se trouve sur un substrat en acier et le capteur de pression comporte au moins une couche d'isolation, notamment une couche SiOX,sur la membrane en acier et une couche NiCr(Si) structurée. 9 ) Capteur de pression selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément de mesure présente au moins en partie une couche résistante et cette couche comporte un composant métallique et/ou - un contact électrique avec la couche résistante et/ou - une passivation notamment par une couche de nitrure. 10 ) Capteur de pression selon la revendication 7, caractérisé en ce que le décalage de la grandeur de mesure par une décharge électrostatique est pratiquement stable.