Brevet FR2883372A1 — publié le 20060922

La présente invention concerne un dispositif de mesure de force par détection résistive à double pont de Wheastone. Elle concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif de mesure. De manière générale, la présente invention concerne le domaine des capteurs de tous types de force (force, pression, moment ou accélération angulaire ou linéaire) mettant en oeuvre des jauges résistives montées selon deux ponts de Wheastone orientés dans deux directions différentes. Ce type de capteur de force peut être intégré dans tout système où l'on cherche à mesurer une force (pneumatique, manette de commande ou joystick pour jeux vidéos...) ou une accélération (déclenchement d'air bag dans une automobile, pacemaker, ...). Un capteur de force de l'état de la technique est notamment décrit dans le document US 4 745 812. Ce capteur réalisé par les techniques de la micro technologie comporte des éléments de détection piézorésistifs montés en double pont de Wheastone dans un plan d'un support déformable. Ces jauges sont réparties selon deux directions perpendiculaires de manière à détecter les composantes dans l'espace de la force appliquée au support déformable. Le déséquilibre d'un premier pont de Wheastone, constitué par l'interconnexion de quatre jauges alignées selon une première direction, est proportionnel à la composante de la force suivant cette première direction. Le déséquilibre d'un second pont de Wheastone, constitué par l'interconnexion de quatre jauges alignées selon une seconde direction, est proportionnel à la composante de la force suivant cette seconde direction. Le mode commun des deux ponts est proportionnel à la composante de la force appliquée selon une direction perpendiculaire au plan du support déformable. 2883372 2 Lors de la réalisation de la structure d'un tel capteur par les moyens de la micro technologie, l'interconnexion des ponts de Wheastone nécessite de réaliser des croisements isolants des pistes conductrices. En pratique, ces croisements isolants sont obtenus par un empilement de deux niveaux métalliques. Un tel empilement représente un surcoût de fabrication et des risques de défaillance du capteur avec baisse du rendement. La présente invention permet de résoudre les inconvénients précités et de proposer un dispositif de mesure de force de fabrication simplifiée. La présente invention vise un dispositif de mesure de force par détection résistive à double pont de Wheastone comprenant au moins huit jauges résistives placées sur une membrane déformable sensiblement plane et alignées suivant deux directions différentes. Selon l'invention, les jauges résistives de chacun des ponts de Wheastone sont disposées respectivement sur des portions disjointes de membrane, deux jauges d'au moins un pont de Wheastone étant placées sur une zone non déformable de la membrane. Ainsi, en disposant les jauges d'un même pont de Wheastone dans des portions disjointes de membrane, il est possible de réaliser l'interconnexion des jauges de chaque pont sans nécessiter le croisement des pistes conductrices. L'interconnexion des jauges des ponts de Wheastone peut ainsi être réalisée avec un seul niveau de matériau conducteur. Les coûts de fabrication peuvent ainsi être diminués et le rendement de fabrication d'un tel dispositif de mesure est augmenté. En pratique, pour réaliser cette disposition des jauges sur une membrane déformable, et pour maintenir l'alignement des jauges suivant une direction du plan de la membrane, au moins deux jauges d'un pont sont placées sur une zone non déformable de la membrane. Selon un mode de réalisation de l'invention, deux jauges d'au moins un pont de Wheastone sont placées sur une zone centrale de la membrane au niveau de laquelle est fixée une tige rigide. 2883372 3 Selon une caractéristique de mise en oeuvre pratique de l'invention, deux jauges de chacun des deux ponts de Wheastone sont placées sur une zone non déformable de la membrane. Selon un second aspect, l'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif de mesure tel que décrit précédemment, ce procédé de fabrication comprenant un unique dépôt d'un matériau conducteur pour réaliser l'interconnexion des jauges résistives en double pont de Wheastone. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: -la figure 1 est une vue en coupe transversale d'un dispositif de mesure de force conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue schématique de dessus du dispositif de mesure de force de la figure 1 illustrant le montage d'un double pont de Wheastone; - la figure 3 est un schéma électrique illustrant l'interconnexion des jauges en double pont de Wheastone du dispositif de mesure de force de la figure 1; - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'un dispositif de mesure de force conforme à un second mode de réalisation de l'invention; - la figure 5 est une vue schématique de dessus illustrant le montage d'un double pont de Wheastone du dispositif de mesure de la figure 4; - la figure 6 est une vue de dessus illustrant le montage d'un double pont de Wheastone d'un dispositif de mesure de force conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention; et - les figures 7A à 7J illustrent la succession des étapes d'un procédé de fabrication conforme à un mode de réalisation de l'invention. On va décrire tout d'abord en référence à la figure 1 un dispositif de mesure de force conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. Le capteur de force illustré a une structure particulière du type "clou". Il comporte une tige rigide 10 surmontée d'une tête 11. 2883372 4 Cette tête 11 du dispositif de mesure comporte une membrane déformable et sensiblement plane 12 capable de se déformer lorsque la tige 10 est sollicitée par une force ou un moment, ou encore lorsque la sollicitation de la structure complète par une accélération induit une déformation de cette membrane 12. Dans cet exemple de réalisation, la membrane déformable est une membrane circulaire pleine, sa liaison avec la tige 10 étant réalisée dans une zone centrale non déformable 13. Bien entendu, cette membrane déformable pourrait être de structure 10 différente, et par exemple être réalisée à partir de différents bras s'étendant entre la zone centrale 13 et une zone périphérique 14 de la membrane. Cette zone périphérique 14 comporte des points d'ancrage qui possède une position par rapport à la tige 10 au repos du dispositif de mesure et qui conserve sensiblement cette position lorsque la tige ou l'ensemble de la structure est sollicité par une force. Dans l'exemple des figures 1 et 2, il existe une multitude de points d'ancrage continus, s'étalant sur la zone périphérique 14 de la membrane 12. Bien entendu, les points d'ancrage pourraient également être réalisés de manière discrète. Cette zone périphérique 14 de la membrane 12 est également non déformable. La membrane 12 comporte ainsi une zone déformable en forme de disque, avec une portion centrale 13 non déformable. Elle pourrait également être constituée de secteurs de disque disjoints. La membrane déformable 12 comporte des éléments de mesure qui sont ici constitués de huit jauges piézorésistives montées en double pont de Wheastone. Dans ce mode de réalisation, les jauges piézorésistives sont alignées quatre par quatre suivant deux directions différentes, et ici selon deux directions 30 perpendiculaires dans le plan de la membrane déformable 12. En particulier, quatre premières jauges Rx1, R,,2, RX3, RX4 sont alignées suivant une première direction X du plan de la membrane 12 et connectées en 2883372 5 pont de Wheastone comme illustré à la figure 3. Le déséquilibre de ce pont de Wheastone, mesuré par la différence des tensions VB VA, est proportionnel à la composante de la force ou de l'accélération suivant la direction X. De même, quatre jauges Ry, Ry2, Ry3, Ry4 sont alignées suivant un deuxième direction Y, perpendiculaire à la direction X. Comme illustré à la figure 3, ces jauges sont connectées en pont de Wheastone de telle sorte que le déséquilibre du pont, représenté par la différence des tensions VD Vc, est proportionnel à la composante de la force ou de l'accélération suivant cette direction Y. Le mode commun des deux ponts de Wheastone, représenté par la différence des tensions (VA + VB) (Vc + Vp), est proportionnel à la composante de la force ou de l'accélération suivant la direction Z perpendiculaire au plan de la membrane 12. Les jauges résistives associées à chaque pont de Wheastone sont disposées respectivement sur des portions disjointes de membrane 12, c'est-à-dire que le plan de la membrane peut être partitionné de telle sorte que les jauges piézorésistives de chaque pont appartiennent à des portions distinctes de la partition. Il est ainsi possible de réaliser les connexions des différentes jauges piézorésistives, illustrées sur la figure 2 par les différents traits rectilignes, indépendamment, sans croisement des conducteurs. Dans ce mode de réalisation, les jauges résistives de chaque pont de Wheastone sont disposées sur une portion de membrane située d'un unique côté par rapport à la direction d'alignement des jauges résistives de l'autre pont de Wheastone. Pour des raisons de dimensionnement du dispositif de mesure, la Demanderesse a constaté qu'il était possible de disposer au moins deux jauges de chacun des ponts de Wheastone sur une zone non déformable de la membrane 12. Dans cet exemple de réalisation, deux jauges Rx2, Rx3 et Ry, Ry4 de chacun des ponts de Wheastone sont placées sur la zone centrale 13 de la membrane 12, c'est-à-dire la zone centrale solidaire de la tige rigide 10. 2883372 6 De ce mode de réalisation où les jauges résistives présentent une forme parallélépipédique allongée et possèdent ainsi une plus grande dimension selon une direction, les jauges disposées sur une zone non déformable de la membrane sont placées transversalement par rapport à la direction d'alignement des jauges du pont de Wheastone auquel elles appartiennent. Elles pourraient bien entendu être orientées de toute autre manière. En reportant ainsi une partie des jauges de chacun des ponts de Wheastone sur une zone non déformable de la membrane, on obtient une sensibilité moindre du capteur de force. Cependant, cette disposition des jauges sur une partie non déformable permet le montage des jauges résistives de chacun des ponts sur des portions disjointes de membrane, sans complexifier les équations de calcul au niveau du double pont de Wheastone permettant de mesurer l'intensité et l'orientation de la force appliquée sur le dispositif de mesure. Bien entendu, d'autres configurations permettant de mettre en oeuvre l'invention peuvent être utilisées. Comme illustré sur les figures 4 et 5, les jauges de chacun des ponts de Wheastone peuvent être placées sur la zone périphérique 14 de la membrane 12, cette zone périphérique 14 comportant les points d'ancrage de la membrane déformable 12. Comme dans le mode de réalisation précédent, les jauges résistives de chacun des ponts de Wheastone sont disposées sur une portion de membrane située d'un unique côté par rapport à la direction d'alignement des jauges résistives de l'autre pont de Wheastone. Cette disposition des jauges sur des portions disjointes de membrane permet de réaliser l'interconnexion des différentes jauges résistives en double pont de Wheastone sans nécessiter le croisement des connexions. Le montage en double pont de Wheastone des jauges tel qu'illustré à la figure 5 est identique à celui illustré à la figure 3 et décrit précédemment en référence au mode de réalisation précédent. Comme bien illustré sur la figure 6, seules les jauges d'un pont de Wheastone, ici le pont de Wheastone associé à la seconde direction Y, peuvent 2883372 7 être disposées sur une portion de membrane située d'un unique côté de la direction d'alignement X des jauges résistives de l'autre pont de Wheastone. Dans ce mode de réalisation, les jauges résistives du pont de Wheastone associées à la première direction X sont disposées de part et d'autre de la seconde direction Y. Ce type de réalisation permet également de réaliser l'interconnexion des différentes jauges résistives en double pont de Wheastone sans nécessiter le croisement des connexions. La connexion des différentes jauges résistives est identique à celle décrite précédemment en référence à la figure 3. On va décrire à présent en référence aux 7A à 7J un procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de force tel que décrit précédemment. Le procédé de fabrication utilise dans ce mode de réalisation des techniques de micro technologie. Bien entendu, d'autres techniques plus conventionnelles pourraient également être mises en oeuvre pour réaliser un dispositif de mesure de force conforme à l'invention. A partir d'un substrat SOI (Silicium sur isolant) tel qu'illustré à la figure 7A, on réalise l'implantation des jauges résistives, par exemple du type P dans un substrat de type N. Bien qu'on ait illustré sur la figure 7B l'implantation de deux jauges R seulement, l'ensemble des jauges résistives nécessaires à la mise en oeuvre du dispositif de mesure est implanté bien entendu à cette étape. Comme illustré à la figure 7C, une couche de passivation 20 est déposée sur le substrat SOI pour recouvrir les jauges R. On réalise ensuite des ouvertures dans la couche de passivation 20, comme illustré à la figure 7D afin d'obtenir des trous de contact avec les jauges R. On réalise ensuite la gravure des conducteurs permettant les liaisons électriques et les différentes connexions des jauges R, et notamment la réalisation et le montage des jauges en pont de Wheastone. Cette gravure est réalisée par un dépôt de matériau conducteur 21 comme illustré à la figure 7E. Le matériau conducteur peut être constitué d'une ou plusieurs couches de matériaux conducteurs comme par exemple Ti-Ni-Au ou Cr-Au ou Ti-TiN-Au... 2883372 8 Comme bien décrit précédemment, les différentes jauges R étant disposées sur des portions disjointes de la membrane, un unique dépôt de matériau conducteur 21 permet de réaliser l'ensemble des connexions requises pour réaliser le montage en double pont de Wheastone des différentes jauges R. Comme bien illustré sur la figure 7F, on réalise ensuite sur la face arrière du substrat SOI un double masque de gravure 22, 23. Une première gravure profonde est mise en oeuvre comme illustré à la figure 7G permettant d'amorcer la forme du dispositif de mesure, et notamment de réaliser la tige centrale 10. Comme illustré sur la figure 7H, un des masques de gravure 23 est éliminé avant de réaliser comme illustré sur la figure 71 une deuxième gravure profonde permettant la gravure du substrat jusqu'à la couche d'isolant. L'autre masque de gravure 22 est ensuite éliminé comme illustré sur la figure 7J, les différentes étapes de gravure de la face arrière permettant ainsi d'obtenir la structure en forme de clou du dispositif de mesure conforme à l'invention. Comme indiqué précédemment, dans des techniques traditionnelles de réalisation d'un tel dispositif, les différentes parties de la structure pourraient être réalisées par usinage classique, puis assemblées. Les jauges métalliques R pourraient ensuite être collées sur la partie déformable, les connexions des différentes jauges étant ensuite réalisées comme décrit en référence aux étapes 7D et 7E par un unique dépôt de matériau conducteur permettant la réalisation des conducteurs. Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation décrit précédemment sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les ponts de Wheastone pourraient être orientés selon deux directions qui ne sont pas perpendiculaires. D'autres types de jauges résistives pourraient également être utilisés dès lors que leur déformation, qui est en principe égale à celle de la structure sur laquelle elles sont collées, se traduit en variation de résistance. On peut utiliser 2883372 9 des jauges métalliques ou encore d'autres types de jauges semi-conductrices que les jauges piézorésistives. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de force par détection résistive à double pont de Wheastone comprenant au moins huit jauges résistives (RX1, RX2, RX3, RX4, Ry1, Ry2, Ry3, Ry4) placées sur une membrane déformable (12) et sensiblement plane et alignées suivant deux directions différentes (X, Y), caractérisé en ce que les jauges résistives (RX1, Rx2, RX3, RX4, Ry1, Ry2, Ry3, Ry4) de chacun des ponts de Wheastone sont disposées respectivement sur des portions disjointes de membrane (12, 13, 14), et en ce que deux jauges (Ry1, Ry4) d'au moins un pont de Wheastone sont placées sur une zone non déformable (13) de la membrane (12). 2. Dispositif de mesure de force conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les jauges résistives (Ry1, Ry2, Ry3, Ry4) d'au moins un pont de Wheastone sont disposées sur une portion de membrane (12, 13, 14) située d'un unique côté de la direction d'alignement (X) des jauges résistives (Rx1, Rx2, Rx3, Rx4) de l'autre pont de Wheastone. 3. Dispositif de mesure de force conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les jauges résistives (Rx1, Rx2, Rx3, Rx4, Ry1, Ry2, Ry3, Ry4) d'un premier, respectivement d'un second, pont de Wheastone sont disposées sur une portion de membrane (12, 13, 14) située d'un unique côté de la direction d'alignement des jauges résistives (Ry1, Ry2, Ry3, Ry4; Rx1, Rx2, Rx3, Rx4) du second, respectivement du premier, pont de Wheastone. 4. Dispositif de mesure de force conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que deux jauges (Rx2, Rx3; Ry1, Ry4) d'au moins un pont de Wheastone sont placées sur une zone centrale (13) de la membrane solidaire d'une tige rigide (10). 5. Dispositif de mesure de force conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que deux jauges (Rx2, Rx3; Ry1, Ry4) d'au moins un pont de Wheastone sont placées sur une zone périphérique (14) de la membrane, cette zone périphérique (14) comportant des points d'ancrage de la membrane déformable (12). 6. Dispositif de mesure de force conforme à l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que deux jauges (Rx2, Rx3; Ry1, Ry4) de chacun des ponts 2883372 11 de Wheastone sont placées sur une zone non déformable (13, 14) de la membrane. 7. Dispositif de mesure de force conforme à l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la zone déformable de la membrane est un disque ou 5 des secteurs de disque disjoints. 8. Procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de force conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un unique dépôt de matériau conducteur pour réaliser l'interconnexion des jauges résistives (R) en double pont de Wheastone.