Brevet FR2881568A1 — publié le 20060804

CONDENSATEUR A CAPACITE VARIABLE ET A FORME SPECIFIQUE, GYROMETRE COMPORTANT UN TEL CONDENSATEUR ET ACCELEROMETRE COMPORTANT UN TEL CONDENSATEUR DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR La présente invention se rapporte principalement à un condensateur à capacité variable, utilisé en particulier dans les gyromètres et accéléromètres miniaturisés. Ces dispositifs ont une surface inférieure à lcm2 et sont particulièrement utilisés dans le secteur automobile, notamment pour accroître la sécurité des passagers. Par exemple, ces dispositifs fournissent des informations pour le déclenchement des coussins gonflables lors de chocs par détection d'une décélération supérieure à une valeur prédéterminée, ou lorsque le véhicule effectue un tonneau (roll-over en terminologie anglo-saxonne), et pour l'aide à la conduite lors de dérapage. Ces dispositifs sont également utilisés dans le domaine aéronautique et médical, et dans la fabrication des instruments médicaux. Les condensateurs à capacité variable utilisés en micro-technologie comportent deux peignes capacitifs interdigités, l'un étant fixe et l'autre étant mobile, fonctionnant soit selon le mode dit à variation d'entrefer, soit selon le mode dit à variation de surface. Chaque peigne comporte des dents qui sont interposées avec jeu entre les dents de l'autre peigne. Les dents de chaque peigne sont de forme rectangulaire et s'interposent entre deux dents de l'autre peigne qui délimitent également un espace de forme rectangulaire. La distance séparant deux dents directement adjacentes est appelée entrefer. Le fonctionnement en variation d'entrefer consiste à mesurer la variation de l'entrefer lorsque le peigne mobile se déplace par rapport au peigne fixe dans une direction perpendiculaire aux dents. Le fonctionnement en variation de surface consiste à mesurer la variation de surface en regard entre une dent du peigne fixe et une dent du peigne mobile lorsque l'un des peignes se déplace selon l'axe de la dent. Il apparaît que dans le cas où l'on souhaite réaliser un actionneur pour produire de grands déplacements ou un capacimètre apte à mesurer de grands déplacements, le fonctionnement dit à variation de surface est le plus indiqué, car le déplacement possible du peigne mobile par rapport au peigne fixe n'est pas limité par la dimension de l'entrefer (qui doit rester de préférence petit). Ce qui n'est pas le cas pour le fonctionnement dit à variation d'entrefer. On souhaite alors réaliser des condensateurs à capacité variable ayant un faible entrefer par exemple compris entre 1,5}gym à 2}gym et un déplacement, selon l'axe des dents, important compris par exemple entre 5} gym et 10}gym. Or le fait de vouloir réaliser des condensateurs à capacité variable dont l'entrefer est faible et le débattement selon l'axe des dents est important, pose des problèmes de fabrication. D'une part, il est souhaitable d'avoir une géométrie du condensateur relativement uniforme afin d'avoir la plus grande homogénéité des gravures, en particulier, dans le cas de la gravure par plasma anisotrope. En effet, la gravure d'un motif fin est plus lente que celle d'un motif plus large. Ainsi dans le cas où l'entrefer et la distance de débattement sont de valeurs très différentes, il peut y avoir une inhomogénéité dans la gravure. D'autre part, les technologies actuelles nécessitent de créer un niveau d'interconnexions entre différentes parties du condensateur: pour cela on dépose sur les structures gravées une couche sacrificielle qui doit complètement recouvrir les peignes et donc en particulier remplir les espaces entre les peignes. Ensuite on réalise les structure d'interconnexions et on grave la couche sacrificielle, de manière à séparer les ponts d'interconnexions désirés de la surface des peignes. Or il est très délicat de combler correctement des entrefers larges. C'est donc un but de la présente invention d'offrir un condensateur à capacité variable permettant de grands déplacements. C'est également un but de la présente invention d'offrir un condensateur à capacité variable de réalisation fiable. EXPOSÉ DE L'INVENTION Ces buts sont atteints par un condensateur à capacité variable par variation de surface comportant au moins un premier et un deuxième peignes munis de dents interdigitées dans lequel la section transversale des extrémités des dents de chaque peigne orientées vers l'autre peigne est plus faible que la section transversale de l'extrémité de raccordement au corps du peigne. En d'autres termes, on recherche à avoir, selon l'axe des dents une zone d'entrefer maximale et une zone de débattement la plus réduite possible, ce qui permet d'augmenter en bout de peigne la valeur de ce débattement relativement à celle de l'entrefer, mesuré suivant l'axe du corps du peigne, tout en diminuant la proportion de la zone large susceptible de compromettre l'homogénéité de la gravure et posant problème pour son comblement par la couche sacrificielle. La présente invention a alors principalement pour objet un condensateur à capacité variable comportant au moins une première et une deuxième électrodes interdigitées, formées par des peignes munis respectivement d'un corps d'axe principal et de dents d'axes secondaires, lesdites dents étant parallèles entre elles et aptes à avoir un mouvement selon leur axe secondaire, les dents comportant des premières extrémités par laquelle elles sont raccordées au corps et des deuxièmes extrémités libres opposées aux premières extrémités en regard de l'autre peigne caractérisé en ce que la section transversale de la deuxième extrémité libre des dents est inférieure à celle de la première extrémité raccordée au peigne. De manière avantageuse, les dents définissent deux à deux des espaces de forme complémentaire à celle des dents de l'autre peigne. Dans un mode de réalisation, l'extrémité libre des dents est délimitée par aux moins deux segments. Dans un premier exemple de réalisation, les extrémités libres ont la forme d'une pointe. Dans un deuxième exemple de réalisation, les extrémités libres des dents ont la forme d'un trapèze, la grande base du trapèze étant orientée du côté de la dent. Dans un troisième exemple de réalisation, les extrémités libres des dents sont délimitées par un premier et deuxième segments, non sécants, de longueur identique et symétriques par rapport à un axe longitudinal de la dent et se raccordant par une infinité de segments délimitant un arc de cercle. De manière avantageuse, l'entrefer séparant une extrémité transversale d'une dent d'un peigne d'une extrémité transversale directement adjacente d'une dent d'un autre peigne est compris entre 1 m et 3 m. La distance séparant l'extrémité libre d'une dent d'un peigne de l'autre peigne suivant une direction axiale de la dent est avantageusement comprise entre 3 m et 15 m. Dans un mode de réalisation, les peignes sont en silicium. Dans un autre mode de réalisation, les 30 peignes sont fabriqués en matériau isolant électriquement recouvert d'un matériau électriquement conducteur. Avantageusement, lesdits peignes sont fabriqués en quartz ou en silice. La présente invention a également pour objet un gyromètre comportant un condensateur à capacité variable selon la présente invention. La présente invention a également pour objet un accéléromètre comportant un condensateur à capacité variable selon la présente invention. La présente invention également pour objet un procédé de réalisation d'un condensateur à capacité variable selon la présente invention, comportant une électrode mobile et une électrode fixe, à l'aide d'un substrat, ce procédé comportant entres autres les étapes de: -gravure du substrat pour former des dents des électrodes, les dents étant séparées par des tranchées, les dents ayant une section transversale variable; - formation de moyens de connexion des électrodes. En particulier, la formation des moyens de connexions comportent également les étapes de: - de dépôt et de structuration d'une couche sacrificielle, préférentiellement en PSG; - de réalisation d'interconnexions, avantageusement en poly-silicium; - de réalisation d'interconnexions sur la couche sacrificielle entre les électrodes et les zones à relier électriquement; - de gravure du substrat et de la couche sacrificielle de manière à libérer l'électrode mobile. De manière avantageuse, le substrat comporte une couche de base en silicium recouverte sur une face d'une couche d'oxyde de silicium, ellemême recouverte d'une couche de silicium. Des motifs d'isolation en SiN peuvent également être réalisés préalablement au dépôt de la couche sacrificielle. De façon avantageuse, l'électrode mobile est libérée du substrat par gravure de la couche d'oxyde de silicium. La présente invention sera mieux comprise avec la description qui va suivre et les dessins en annexe. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - La figure 1 est une vue partielle en perspective d'un condensateur à capacité variable selon l'art antérieur; - la figure 2 est une vue schématique de dessus du premier exemple et exemple préféré de réalisation d'un condensateur selon la présente invention; - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un deuxième exemple de réalisation d'un condensateur selon la présente invention; la figure 4 est une vue schématique de dessus d'un troisième exemple de réalisation d'un condensateur selon la présente invention; - la figure 5 est un tableau montrant l'évolution de la valeur du débattement axial des dents en fonction de la valeur de l'angle des dents; - les figures 6a à 6d représentent des étapes de réalisation d'un condensateur selon la présente invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Sur la figure 1, on peut voir un condensateur à capacité variable de l'état de la technique utilisé par exemple dans les gyromètres et accéléromètres miniaturisés. Le condensateur comporte un premier 2 et un deuxième 4 peignes interdigités. Le premier peigne 2 comporte un corps 6 d'axe longitudinal Y1 et plusieurs dents 8.1, 8.2, 8.3..., 8.n (n étant le nombre de dents) d'axe respectivement X1, X2, X3..., Xn orthogonaux à l'axe Y1 du corps 6. Le deuxième peigne 4 comporte un corps 7 d'axe longitudinal Y1' et plusieurs dents 9.1, 9.2, 9.3,...9.n d'axe respectivement X1', X2',X3',... Xn'. Les deux peignes sont sensiblement de même structure et toutes les dents sont identiques ainsi nous nous limiterons à la description de deux dents adjacentes. Les dents 8.1 et 8. 2 comportent une première extrémité axiale 10.1, 10.2, par laquelle elles se raccordent au corps 6 et une deuxième extrémité axiale 12.1, 12.2 libre destinée à être en regard du corps de l'autre peigne. Chaque dent est de forme sensiblement rectangulaire, délimitée transversalement par deux flancs 14.1, 14.2, et 16.1,16.2 sensiblement parallèles; la deuxième extrémité axiale 12.1, 12. 2 est délimitée par un segment raccordant le premier et le deuxième flancs 14.1, 14.2, et 16.1,16.2 respectivement et parallèle à l'axe Y1. Chaque dent est raccordée à la suivante par un fond plan 17.1, parallèle à l'axe Y1 et chaque paire de dents délimite un espace 18.1 de forme sensiblement rectangulaire à l'intérieur duquel une dent de l'autre peigne vient s'interposer. Les flancs 16.1 et 14.2, directement adjacents de deux dents sont séparés d'un distance e appelée entrefer. L'extrémité libre 12.1, 12.2, de chaque dent est séparée de l'autre peigne selon l'axe de la dent d'une distance d. Il est souhaitable d'avoir un entrefer e fin et une distance d importante. Or la gravure de tels condensateurs est complexe du fait de l'inhomogénéité de leur structure et le remplissage complet des espaces entres les peignes par une couche sacrificielle comme décrite plus haut n'est pas sûr. La présente invention résout ces problèmes. Sur la figure 2, on peut voir un premier exemple de réalisation d'un condensateur à capacité variable selon la présente invention comportant un premier 102 et deuxième 104 peignes. Le premier peigne 102 comporte un corps 106 d'axe Y1 et des dents 108.1, 108.2, 108.3... d'axe X1, X2, X3... orthogonaux à l'axe Y1. Le deuxième peigne comporte un corps 107 d'axe Y1' et des dents 109.1, 109.2, 109.3... d'axe X1', X2' , X3'... Comme pour le condensateur de l'état de la technique nous nous limiterons à la description de deux dents du premier peigne 2. Les dents 108.1 et 108.2 se raccordent au corps 106 respectivement par des premières extrémités longitudinales 110.1, 110.2 et comportent également des deuxièmes extrémités longitudinales 112.1, 112.2 libres orientées vers l'autre peigne. Selon la présente invention, les extrémités libres 112.1, 112.2 des dents 108.1, 108.2 ont une section transversale inférieure à la section transversale des premières extrémités 110.1, 110. 2. Dans l'exemple représenté, les extrémités libres 112.1, 112.2 sont en forme de pointe 122.1, 122.2 délimitée par un triangle isocèle, la base du triangle étant orientée du côté du corps 106. Les dents se raccordent deux à deux par un fond 117.1, qui est de manière avantageuse de forme complémentaire à l'extrémité libre de chaque dent en regard. Dans l'exemple représenté en figure 2, le fond est délimité par deux segments de droite concourants 120.1 et 120.1' en un point 124.1. Par conséquent, le débattement selon l'axe des dents est limité par la distance d séparant la pointe 122.1, et le point 124.1. Sur la figure 5, on peut voir un tableau montrant l'évolution de d en fonction de l'angle a au sommet de la pointe 112.1 pour une valeur d'entrefer e = 2 m. Il apparaît que plus l'angle a est aigu, plus d est grand. Ainsi grâce à la présente invention, il est possible de conserver en bout de dent un entrefer fin, tout en autorisant un important débattement selon l'axe des dents. En effet, dans les condensateurs à capacité variable de type connu ayant des dents à section rectangulaire, l'entrefer en bout de dent est égal à 2e + w, e étant l'entrefer entre une dent du premier peigne et une dent du deuxième peigne, et w étant la largeur d'une dent. Selon la présente invention, dans le cas de dents à pointe triangulaire, l'entrefer en bout de dent est égal à 2e, l'épaisseur de la dent étant nulle à l'extrémité libre de la dent. Sur la figure 3, on peut voir un deuxième exemple de réalisation dans lequel les extrémités libres 212.1, 212.2 des dents ont une forme de trapèze, comportant une grande base 226.1, 226.2 orientée vers le corps du peigne. Les fonds raccordant les dents deux par deux sont avantageusement de forme complémentaire. Sur la figure 4, on peut voir un troisième exemple de réalisation dans lequel les extrémités libres 312.1, 312.2 des dents sont également délimitées par un triangle isocèle,cependant l'angle au sommet est remplacé par un arc de cercle 328.1, 328.2. Les fonds raccordant les dents deux par deux sont avantageusement de forme complémentaire. Il est bien entendu qu'un condensateur dont les espaces délimités par deux dents ne sont pas de forme complémentaire aux dents qu'ils reçoivent ne sort pas du cadre de la présente invention. Il est également bien entendu qu'un condensateur dont les peignes comportent des dents munies de plusieurs pointes ne sort pas du cadre de la présente invention. Grâce à la forme du condensateur capacitif selon la présente invention, la gravure est beaucoup plus homogène du fait de l'homogénéité des dimensions des entrefers. De plus, du fait des entrefers de faibles dimensions, le rebouchage des entrefers est plus aisé lors des étapes suivantes de réalisation des interconnexions entre différentes parties du condensateur. Le condensateur selon la présente invention est particulièrement avantageux dans la réalisation de gyromètres intégrés réalisés en microtechnologies, pour lesquelles un fort débattement est très intéressant. Dans le cas où l'on désire mesurer à l'aide du gyromètre une vitesse de rotation angulaire, la masse du gyromètre est mise en mouvement par un signal 15 d'excitation sinusoïdal. Sous l'action de la vitesse de rotation, une force de Coriolis est générée selon une direction perpendiculaire à la fois au signal d'excitation et à la vitesse de rotation; le signal de sortie est alors donné par une formule du type S = 2 m.Q.cod.d m représentant la masse de tout ou partie de la structure, Q étant la vitesse angulaire d'entrée à mesurer, 0d représentant la pulsation du signal d'excitation, d étant l'amplitude de l'excitation. Il apparaît donc que pour avoir un signal de sortie de valeur importante, il est souhaitable d'avoir une valeur d'amplitude d'excitation élevée. Typiquement on cherche actuellement à obtenir des valeurs d'amplitude de déplacement au moins égales à 30 5}gym, de manière avantageuse égale à 10} gym pour obtenir des gyromètres offrant de bonnes performances. Ces 25 valeurs de débattement sont possibles avec le condensateur selon la présente invention (figure 5), par exemple pour un angle a compris entre 40 et 10 ou entre 30 et 20 . Nous allons maintenant décrire un exemple d'un procédé de fabrication d'un condensateur à capacité variable. Un tel procédé de fabrication dudit condensateur comporte entre autres: une étape de gravure de peignes dans un substrat, les peignes ayant une forme selon la présente invention, la réalisation de moyens d'interconnexion. Un exemple détaillé du procédé va maintenant être décrit. Dans une première étape, on réalise un substrat 402 comportant une base 404, par exemple en silicium recouverte sur sa face supérieure d'une couche 20 d'isolant 406, par exemple de l'oxyde de silicium SiO2. Dans une deuxième étape, la couche 406 est gravée au niveau de zones 408. Puis une couche de SiN est déposée sur toute la surface du substrat. Ensuite par planarisation, la couche de SiN 25 est supprimée sauf dans les zones 408 formant des ancrages. Dans une étape ultérieure, la couche 406 est de nouveau gravée au niveau de zones 412 afin de préparer la connexion avec le substrat. Une couche 419 de silicium est ensuite déposée par épitaxie. Puis cette couche est gravée de 10 15 manière à former des piliers 410 et des électrodes mobile 419.1 et fixe 419.2 (figure 6a). Dans une étape supplémentaire (figure 6b), une couche sacrificielle 420 type PSG (Phosphorous Silicium Glass en terminologie anglo-saxonne) est déposée par exemple par réaction chimique en phase gazeuse assistée par plasma (PRECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition en terminologie anglo-saxonne) sur la partie supérieure des dents de manière à recouvrir les tranchées 417. Avantageusement, on peut réaliser au préalable des motifs d'isolation SiN 422 sur la partie supérieure des électrodes par lithographie et gravure. Ensuite, la couche sacrificielle 420 est structurée de manière à permettre une interconnexion électrique 426, entre différentes parties du condensateur, par exemple soit entre les dents d'un même peigne, soit un peigne et une reprise de contact, soit entre un pilier relié au substrat et un contact réalisé dans une zone isolante 422. Dans l'exemple représenté, des passages sont gravés dans la couche sacrificielle 420 au niveau du pilier d'appui 410 et de l'ancrage 408. Dans une étape suivante (figure 6c), on effectue un dépôt d'une couche 424 de poly-silicium sur la couche sacrificielle 420. Cette couche 424 est ensuite gravée, de manière à former les ponts d'interconnexion 426, qui permettront d'interconnecter entre elles différentes parties du dispositif, telles qu'énoncées précédemment. Enfin dans un quatrième étape (figure 6d), la couche sacrificielle 420 est gravée de manière à libérer les ponts 426. La couche 406 de SiO2 est également gravée de manière à suspendre les électrodes mobiles 419.2 par rapport à la base 404. L'électrode fixe 419.1 reste quant à elle liée par la couche 406 de SiO2 à la base 402. Dans l'exemple représenté, les électrodes sont réalisées en silicium. Cependant, celles-ci peuvent être réalisées en matériau isolant, par exemple du quartz recouvert d'un matériau conducteur tel que Cr-AU, Al, WWn-Au ou TiW-Au. Le dépôt de la couche conductrice, par exemple par pulvérisation ou évaporation sous vide, a lieu après la gravure des dents dans le matériau isolant (figure 6a). Les zones conductrices à préserver sont ensuite définies, par exemple par gravure après le dépôt d'un masque de lithographie. Il est également envisageable de déposer le matériau conducteur uniquement sur les zones appropriées à travers un masque mécanique. La présente invention s'applique en particulier aux gyromètres et aux accéléromètres utilisés dans la micro technologie, notamment dans l'industrie automobile. REVENDICATIONS 1. Condensateur à capacité variable comportant au moins une première (102) et une deuxième électrodes (104) interdigitées, formées par des peignes, lesdits peignes (102, 104) étant munis respectivement d'un corps (106, 107) d'axe principal (Y1, Y1') et de dents (108.1, 108.2, 108.3,...108.n, 109.1, 109.2, 109.3,...109.n) d'axes secondaires (Xl, X2, X3, ...Xn, Xl', X2', X3' , ...Xn') respectivement, lesdites dents (108.1, 108.2, 108.3,... 108.n, 109.1, 109.2, 109.3,...109.n) étant parallèles entre elles et aptes à avoir un mouvement selon leur axe secondaire (Xl, X2, X3, ...Xn, Xl', X2', X3' , ...Xn') , les dents comportant des premières extrémités (110.1,110.2) par lesquelles elles sont raccordées au corps (106) et des deuxièmes extrémités libres (112.1,112.2) opposées aux premières extrémités (110.1,110.2) en regard de l'autre peigne caractérisé en ce que la section transversale de la deuxième extrémité libre (112.1,112.2) des dents est inférieure à celle de la première extrémité (110.1,110.2) raccordée au peigne. 2. Condensateur selon la revendication 1 dans lequel les dents (108.1, 108.2, 108.3,...108.n, 109.1, 109.2, 109.3,...109.n) définissent deux à deux des espaces de forme complémentaire à celle des dents (108.1, 108.2, 108.3,...108.n, 109.1, 109.2, 109.3,...109.n) de l'autre peigne. 3. Condensateur selon la revendication 1 ou 2 dans lequel l'extrémité libre (112.1, 112.2) des dents est délimitée par aux moins deux segments. 4. Condensateur selon la revendication précédente dans lequel les extrémités libres (112.1, 112.2) ont la forme d'une pointe (122.1, 112.2). 5. Condensateur selon la revendication 3 dans lequel les extrémités libres (212.1, 212.2) des dents ont la forme d'un trapèze, la grande base (226.1, 226.2) du trapèze étant orientée du côté de la dent. 6. Condensateur selon la revendication 3 dans lequel les extrémités libres (312.1, 312.2) des dents sont délimitées par un premier et deuxième segments, non sécants, de longueur identique et symétriques par rapport à un axe longitudinal de la dent et se raccordant par une infinité de segments formant un arc de cercle. 7. Condensateur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'entrefer (e) séparant une extrémité transversale d'une dent d'un peigne d'une extrémité transversale directement adjacente d'une dent d'un autre peigne est compris entre 1 m et 3 m. 8. Condensateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la distance (d) séparant l'extrémité libre d'une dent d'un peigne (102, 104) de l'autre peigne (104, 102) suivant une direction axiale de la dent est comprise entre 3 m et 15 m. 9. Condensateur selon l'une des revendications précédentes dans lequel les peignes (102, 104) sont en silicium. 10. Condensateur selon l'une de revendications 1 à 8 dans lequel les peignes (102,104) sont fabriqués en matériau isolant électriquement recouvert d'un matériau électriquement conducteur. 11. Condensateur selon la revendication précédente dans lequel les peignes (102, 104) sont fabriqué en quartz ou en silice. 12. Gyromètre comportant un condensateur à capacité variable selon l'une des revendications précédentes. 13. Accéléromètre comportant un condensateur à capacité variable selon l'une des revendications 1 à 11. 14. Procédé de réalisation d'un condensateur à capacité variable selon l'une des revendications 1 à 11, comportant une électrode mobile et une électrode fixe, à l'aide d'un substrat (402), ce procédé comportant entres autres les étapes de: - gravure du substrat pour former des dents (419) des électrodes, les dents (419) étant séparées par des tranchées (417), les dents ayant une section transversale variable, - formation de moyens de connexion des électrodes. 15. Procédé selon la revendication 14 dans lequel le substrat comporte une couche de base en silicium (404) recouverte sur une face d'une couche d'oxyde de silicium (406), elle-même recouverte d'une couche de silicium. 16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, dans lequel la formation des moyens de connexions comportent également les étapes de: -de dépôt et de structuration d'une couche sacrificielle (420) ; - de réalisation d'interconnexions (426) sur la couche sacrificielle (420) entre les électrodes et les zones à relier électriquement. - de gravure du substrat et de la couche sacrificielle de manière à libérer l'électrode mobile (419.2). 20. Procédé selon la revendication 16, dans lequel la couche sacrificielle (420) est en PSG. 21. Procédé selon l'une des revendications 16 ou 17 dans lequel des motifs d'isolation en SiN (422) sont réalisés préalablement au dépôt de la couche sacrificielle (420). 19. Procédé selon l'une des revendications 16 à 18, dans lequel les interconnexions (426) sont réalisées en polysilicium. 20. Procédé selon des revendications 16 à 19 en combinaison avec la revendication 15, dans lequel l'électrode mobile (419.2) est libérée du substrat par gravure de la couche d'oxyde de silicium (406).