Brevet FR2882821A1 — publié le 20060908

La présente invention concerne des capteurs de grandeurs physiques à jauge de contraintes. On a déjà utilisé depuis longtemps des jauges de contraintes à semiconducteur, formées de silicium ou de germanium, pour la fabrication de capteurs de mesure de grandeurs physiques telles que la pression, la force et l'accélération. De tels capteurs comportent par exemple un barreau rectiligne ou de forme diverse, de dimension variant entre quelques dixièmes de millimètre et quelques milli- mètres, et ayant une épaisseur de l'ordre de quelques centièmes de millimètre. Ces jauges de contraintes sont donc fragiles et leur manipulation s'effectue sous microscope. En général, on réalise les capteurs à jauge de contraintes à semiconducteur par formation d'une couche isolante entre la jauge de contraintes et le corps d'épreuve. Cette couche isolante est le plus souvent constituée d'une colle, fréquemment de type époxyde. Ainsi, une couche de colle est appliquée, le plus souvent au pinceau, entre le corps d'épreuve et la jauge de contraintes. Cette couche doit d'une part être isolante de l'électricité, et d'autre part avoir de bonnes propriétés de collage. Pour que l'isolement soit obtenu, il est important que la couche de colle n'ait pas de trous qui pourraient permettre une conduction électrique après durcissement. A cet effet, il faut que la couche de colle isolante utilisée ait une épaisseur de quelques dizaines de microns. On s'est rendu compte que l'application de couches de colle, par exemple de type époxyde, avec une épaisseur de quelques dizaines de microns, n'était pas reproductible. Si la couche est insuffisamment épaisse, des défauts de conduction risquent d'apparaître et, si elle est trop épaisse, il apparaît des phénomènes perturbateurs, tels que des phénomènes d'hystérésis mécanique et thermique importants, une dérive en température non linéaire, c'est-à-dire difficile à compenser, et éventuellement un fluage qui peut devenir important en présence de contraintes élevées. Pour cette raison, les plages de variation des propriétés des jauges de contraintes de ce type sont étendues. 2882821 2 Ainsi, cette technique connue présentent deux inconvénients principaux, d'une part la mauvaise reproductibilité du collage des jauges, conduisant à des taux élevés de mise au rebut, et d'autre part le coût élevé des jauges, dû à la lenteur du processus de fabrication au cours duquel l'application au pinceau nécessite beaucoup de temps. On a donc cherché à remédier à ces inconvénients, et on a ainsi mis au point un procédé dans lequel la couche isolante est formée de silice sur une face d'une jauge de silicium. Cette technologie connue donne satisfaction dans certaines applications, mais ne convient pas à deux types de situation, d'une part lorsque le milieu d'utilisation est corrosif ou nécessite une membrane affleurante, et d'autre part lorsque les jauges de contraintes doivent être placées à proximité d'une aspérité de surface. En effet, il n'est pas techniquement réalisable industriellement d'obtenir une couche de silice d'épaisseur uniforme sur des creux ou des aspérités, par exemple à un fond de cavité jusqu'à proximité immédiate des parois limitant ce fond. Cet inconvénient interdit pratiquement l'utilisation de cette technologie dans des capteurs de pression dans lesquels deux jauges de contraintes sont placées au centre d'une membrane et deux autres aux bords de l'encastrement d'une membrane. Le problème de la réalisation de tels capteurs de pression, comportant quatre jauges de contraintes placées sur une membrane non affleurante, n'est résolu que dans le cas de l'utilisation d'une couche relativement épaisse de résine époxyde qui pose des problèmes de précision et de reproductibilité. L'invention a pour objet la solution de ce problème. Plus précisément, l'invention met en oeuvre à cet effet une couche suffisamment isolante, ayant l'avantage de pouvoir être déposée avec une épaisseur uniforme même sur des creux ou des aspérités, par exemple dans des coins ou sur des arêtes, et une couche de colle qui peut être très mince puisqu'elle a seulement une simple fonction de collage et non d'isolement électrique. Le terme "colle" désigne dans ce 2882821 3 contexte tout matériau apte à maintenir une jauge sur un support, même s'il est conducteur. Ces caractéristiques permettent l'obtention d'une grande reproductibilité, et donc la réalisation de capteurs 5 très précis et peu coûteux. Plus précisément, l'invention concerne un capteur de grandeur physique, du type qui comporte un corps d'épreuve et au moins une jauge de contraintes, et dans lequel la jauge de contraintes est collée au corps d'épreuve par une couche isolante; selon l'invention, la jauge de contraintes est formée d'un matériau semi-conducteur choisi parmi le silicium et le germanium, et la couche isolante de collage comporte au moins deux couches dont une première couche est constituée de carbone à structure mixte tétraédrique et rhomboédrique, de résistivité électrique supérieure à 105 S2.cm, et une seconde couche est constituée de colle. De préférence, la surface au moins du corps d'épreuve destinée à être au contact de la couche isolante est formée d'un métal choisi parmi l'acier inoxydable, les alliages de cuivre, les alliages d'aluminium, le titane et les alliages de titane. De préférence, l'épaisseur de la première couche est de l'ordre de 2 à 4 ltm. Dans un mode de réalisation avantageux, cette première couche est déposée par dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma. De préférence, la surface de la première couche a une rugosité destinée à faciliter l'accrochage de la seconde couche et obtenue par une attaque. Par exemple, l'attaque de la surface de la première couche est une oxydation, et l'oxydation peut être réalisée en présence d'un plasma. De préférence, l'épaisseur de la seconde couche est comprise entre 1 et 5 11m. Dans un exemple, la seconde couche est déposée par application mécanique, notamment au pinceau, avant son 35 durcissement. Dans un mode de réalisation, le corps d'épreuve est un barreau, et la grandeur physique mesurée par le capteur est une force. 2882821 4 Dans un autre mode de réalisation, le corps d'épreuve comporte une membrane, et la grandeur physique mesurée par le capteur est une pression. Dans ce mode de réalisation, le corps d'épreuve a avantageusement une cavité à fond plat délimitée par des parois perpendiculaires au fond, et la première couche est formée jusqu'aux parois. Une jauge au moins est disposée sur le corps d'épreuve à proximité immédiate de la paroi perpendiculaire au fond. Dans un exemple, le capteur comporte quatre jauges, deux disposées à proximité du centre du fond et deux à proximité immédiate des parois perpendiculaires, et les quatre jauges sont montées dans un circuit électrique en pont de Wheatstone. On considère maintenant plus en détail les caracté-15 ristiques essentielles de l'invention. L'une des principales caractéristiques de l'invention est l'utilisation d'une couche isolante formée de carbone à structure mixte tétraédrique et rhomboédrique de résistivité électrique supérieure à 105 S2.cm. On s'est rendu compte qu'une telle résistivité électrique était suffisante, même lorsque la couche a une épaisseur aussi faible que 2 pm. Ce matériau, dont la structure présente des analogies avec celle du diamant, est essentiellement constitué de carbone partiellement hydrogéné et contenant des éléments de dopage. Un matériau de ce type est connu sous le nom "Casidiam" de Anatech Ltd., Denver, Etats-Unis d'Amérique. Il est formé par dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma. Il a une grande dureté et un très faible coefficient de frottement. Sa surface est très lisse. Cette dernière carac- téristique est d'ailleurs un inconvénient dans le cadre de l'invention, car l'accrochage d'une couche de colle à sa surface est difficile. Il est donc souhaitable, avant le dépôt de la mince couche de colle, de lui donner une certaine rugosité du côté de la colle, par exemple par oxydation. Une telle oxydation de surface non seulement crée une rugosité mécanique, mais aussi donne en surface des atomes qui facilitent la fixation chimique de la couche de colle, par exemple de type époxyde. 2882821 5 On va maintenant considérer un exemple de fabrication d'un capteur de pression selon l'invention. On prépare d'abord un corps d'épreuve ayant une membrane. La membrane est de préférence formée d'acier inoxy- dable, d'un alliage d'aluminium, de titane ou d'un alliage de titane. Ces matériaux sont en particulier avantageux pour le dépôt de la couche de carbone à structure mixte. Le corps d'épreuve ainsi préparé est alors soumis à un dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma pour le dépôt de la couche de carbone à structure mixte tétraédrique et rhomboédrique. L'épaisseur de la couche déposée est de préférence de 2 à 4 jm. Sa résistivité électrique est de l'ordre de 105 S2.cm à 10'2 S2.cm, si bien qu'elle se comporte comme un isolant dans les conditions d'utilisation des jauges de contrainte. On note que le dépôt de la couche de carbone de structure mixte s'effectue avec une épaisseur constante jusqu'au bord de la membrane, de même que sur les parois qui délimitent la cavité dont la membrane forme le fond. De préférence, la couche de carbone de structure mixte est alors soumise à un bombardement d'ions oxygène qui provoque une oxydation en surface. Il est aussi possible d'oxyder la surface de toute autre manière. On note que la surface obtenue présente une certaine rugosité, alors que la surface obtenue directement après le dépôt chimique en phase vapeur a une rugosité trop faible pour pouvoir être mesurée par les appareils classiques de mesure mécanique de rugosité. Les corps d'épreuve ainsi revêtus de la première couche de carbone subissent alors l'application d'une couche de colle, au moins aux emplacements devant porter les jauges de contraintes. Cette application d'une couche de colle est très rapide puisqu'il suffit d'appliquer une couche très mince, de l'ordre de quelques microns, son épaisseur ayant peu d'importance sur la reproductibilité des résultats obte- nus dans la mesure où elle est inférieure à 5 pm environ. On note donc qu'il n'est pas nécessaire, comme dans la 2882821 6 technique antérieure, de réaliser une couche épaisse d'épaisseur bien reproductible. Une fois cette mince couche de colle appliquée, les jauges sont placées aux positions voulues avec les connexions déjà préparées, et il suffit d'assurer la polymérisation ou le durcissement de la colle. Les capteurs obtenus ne présentent pratiquement pas de phénomène d'hystérésis, aussi bien mécanique que thermique. La dérive en température du capteur est faible. Lors- qu'elle existe, elle est linéaire, si bien qu'elle peut être facilement compensée dans le circuit électrique de mesure. Les caractéristiques de mesure des capteurs obtenus sont très précises. La précision obtenue est de cinq à dix fois supérieure à celle des jauges classiques à couche épaisse de colle. Les capteurs selon l'invention sont particulièrement efficaces sous forme d'accéléromètres, notamment ceux dont l'élément sensible est une membrane. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux capteurs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemple non limitatif sans sortir du cadre de l'invention. 2882821 7 REVENDICATIONS 1. Capteur de grandeur physique, du type qui comporte un corps d'épreuve et au moins une jauge de contraintes, et dans lequel la jauge de contraintes est collée au corps d'épreuve par une couche isolante, caractérisé en ce que la jauge de contraintes est formée d'un matériau semi-conducteur choisi parmi le silicium et le germanium, et la couche isolante de collage comporte au moins deux couches dont une première couche est constituée de carbone à structure mixte tétraédrique et rhomboédrique, de résistivité supérieure à 105 S2.cm, et une seconde couche est constituée de colle. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface au moins du corps d'épreuve destinée à être au contact de la couche isolante est formée d'un métal choisi parmi l'acier inoxydable, les alliages de cuivre, les alliages d'aluminium, le titane et les alliages de titane. 3. Capteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de la première couche est de l'ordre de 2 à 4 jim. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche est déposée par dépôt chimique en phase vapeur en présence d'un plasma. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de la première couche a une rugosité destinée à faciliter l'accrochage de la seconde couche et obtenue par une attaque. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'attaque de la surface de la première couche est une oxydation. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la seconde 35 couche est comprise entre 1 et 5 pm. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps d'épreuve est un 2882821 8 barreau, et la grandeur physique mesurée par le capteur est une force. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le corps d'épreuve comporte une membrane, et la grandeur physique mesurée par le capteur est une pression. 10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte quatre jauges, deux disposées à proximité du centre du fond et deux à proximité immédiate des parois perpendiculaires, et les quatre jauges sont montées dans un circuit électrique en pont de Wheatstone.