Brevet FR2875300A1 — publié le 20060317

Domaine de l'invention La présente invention concerne un capteur de force en forme d'aiguille. Etat de la technique Il existe différents capteurs, par exemple pour la détermination en ligne de la pression dans la chambre de combustion. Ces systèmes ne constituent toutefois pas des produits de fabrication en série et pour des raisons de coût, ils sont en général utilisés seulement pour des essais et des mesures dans le domaine du diagnostic ou du développement. La possibilité de déterminer la pression dans la chambre de combustion en conduite normale ouvre de nouvelles possibilités de gestion du moteur. Les systèmes de gestion du moteur, utilisant la pression dans la chambre de combustion, laissent prévoir de multiples intérêts et applications. C'est ainsi que par exemple on peut réduire les émissions (en particulier les émissions d'oxyde d'azote NOx et celles des particules dans le cas des moteurs diesel). De plus, un diagnostic en ligne du moteur permet également de déceler des défauts du moteur et d'y remédier. Comme spécifications pour des capteurs potentiels de pression de chambre de combustion, il n'existe que des consignes grossières qui dépendent de plus fortement des applications. Comme la place disponible dans la culasse des moteurs actuels à quatre soupapes est très réduite, cela limite fortement la place disponible pour le capteur ou une intégration dans des composants déjà existants tels que la bougie de réchauffage, la bougie d'allumage ou les injecteurs. La plage de pression à détecter se situe dans le cas d'un moteur diesel à un maximum de 250 bars (plus environ 100 bars de réserve de surcharge). A la pointe du capteur, on peut avoir des températures allant jusqu'à 600 C. Pour utiliser de manière optimale un tel capteur, il faut en outre une résolution dynamique allant jusqu'à 20 KHz. La précision requise du capteur varie entre 0,25 et 5 % FS suivant la destination et les conditions imposées par le client. Il existe en outre des exigences très strictes imposant un coût réduit pour le produit. Ces exigences sont détermi- nantes pour l'avenir commercial du produit par rapport à des solutions alternatives. Les capteurs existant actuellement sur le marché fonctionnent de manière optique. Le fléchissement d'une membrane sous pression se définit par la variation de l'intensité d'un faisceau lumineux réfléchi par le dos de la membrane en utilisant des fibres optiques. Les capteurs constituent toutefois des fabrications isolées et les questions de réalisation technique restent ouvertes notamment du point de vue de la solidité et de la fiabilité ainsi que de la possibilité d'une fabrication en série. En variante, on connaît des solutions utilisant des matières piézoélectriques avec des éléments de capteur massifs, par exemple en céramique ferroélectrique (ébauche PZT) ou d'un monocristal de quartz. La température de Curie doit se situer de manière significative au-dessus de la température maximale d'utilisation. Du point de vue des techniques de montage, les éléments de capteurs piézocéramiques conviennent bien pour être intégrés dans des composants existants, car on peut les adapter à la forme intérieure, par exemple à celle de la bougie de réchauffage. De telles techniques de construction laissent prévoir des avantages économiques. Mais les inconvénients se situent dans les limites de la plage de température et dans la durée de vie réduite sous l'effet des contraintes mécaniques. A cela s'ajoute que dans une application dynamométrique, la précision de la mesure est principalement influencée par le lieu de l'utilisation (par exemple dans la zone arrière de la bougie de réchauffage). La force est transmise ici nécessairement seulement avec des tertres par frottement et des courtscircuits dynamiques sur la matière piézo-électrique. Dans ce contexte, il est évident que l'influence du montage et la construction de l'élément de capteur se répercutent de ma- nière considérable sur les performances du module du capteur. Le défi se situe ainsi dans la conception d'éléments de capteur suffisamment sensibles pour une technique de montage et d'une liaison économiques, avec des influences transversales faibles ou suffisamment bonnes ou qui peuvent être compensées pour les perturbations du signal de cap- teur et de la solidité du capteur pendant sa durée de vie. Cela doit être notamment assuré dans les conditions d'utilisation des capteurs de pression de chambre de combustion. Le document WO 92/01914 décrit un capteur de pression pour la saisie de la pression dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne selon lequel un poinçon est placé dans un boîtier d'un élément de capteur en matière piézo-résistante et entre une membrane et l'élément de capteur. Ce poinçon transmet la pression à déterminer à l'élément de capteur. L'élément de capteur et un élément hybride avec son support se trouvent sur l'appui opposé du poinçon. io Le document WO 92/011912 décrit un tel capteur de pression dont au moins l'extrémité du poinçon tournée vers l'élément piézo-résistant est en une matière relativement molle. Ces solutions ont l'inconvénient que le poinçon donne au capteur un encombrement très important. De plus, la fabrication du poinçon avec les tolérances requises est une opération très coûteuse et nécessite un ajustage très précis. But de l'invention La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'état de la technique et de développer une solution simple et économique pour des éléments de capteurs et des techniques de montage et de liaison correspondantes pour mesurer la pression dans une chambre de combustion. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un capteur de pression en forme d'aiguille comportant un élément de capteur comprenant. - un premier substrat en silicium ayant au moins un élément piézoélectrique réalisé sur le premier substrat de silicium et dont le branchement se fait par des chemins conducteurs métalliques dans la direction de la forme d'aiguille vers des pattes de contact correspondantes, prévues à l'extrémité du capteur en forme d'aiguille à l'opposé de l'élément piézo-électrique, - une couche protectrice déposée sur l'élément piézo-électrique et sur les chemins conducteurs métalliques, l'élément piézo-électrique et les pattes de contact étant intégrés dans la couche protectrice, - ainsi qu'un second substrat de silicium fixé sur la couche protectrice, le second substrat de silicium laissant dégagée l'étape de con-tact. Le capteur de pression selon l'invention a l'avantage vis- à-vis de l'état de la technique d'être très peu encombrant. Il est en outre avantageux que dans le cas de l'utilisation de substrat SOI, il ne faut aucun découplage thermique. Un autre avantage est que l'élément de capteur selon l'invention puisse se fabriquer par lot d'une manière très économique. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses - la couche protectrice est notamment une couche de SiO2, SiC ou SiN, - l'élément piézo-électrique est une couche piézo-électrique, - l'élément piézo-électrique est une résistance piézo-électrique, - l'élément de capteur est noyé avec une matière rigide dans un boî- tier, - si la matière rigide est du verre de scellement et si le boîtier est en acier, le boîtier est aminci localement, radialement dans la zone de l'élément piézo-électrique, ou sur la face frontale de l'élément de capteur au niveau de l'élément piézo-électrique, et uniquement la partie centrale de l'élément de capteur est noyée avec une matière rigide dans un boîtier et la zone autour de l'élément piézo-électrique reste dégagée, - le second substrat en silicium est structuré, - le second substrat en silicium est structuré pour former un point sonde au niveau des éléments piézo-électriques, L'invention concerne en outre un capteur de force en forme d'aiguille comportant un élément de capteur formé d'une matière de support monocristalline, piézo-électrique, les deux grands côtés de la matière de support ayant des électrodes métalliques pour détecter la force et l'extrémité de l'élément de capteur, à l'opposé des électrodes comportant, pour le branchement de l'élément de capteur, des pattes de contact, protégées par une couche protectrice de passivation, les électrodes et les pattes de contact étant reliées par des chemins conducteurs métalliques traversant la couche protectrice de passivation. L'élément piézo-électrique est une résistance piézo-électrique. Si la partie centrale de l'élément de capteur est noyée avec une matière rigide dans un passage et si la zone autour des électrodes reste libre, de préférence la matière rigide est du verre de scelle-ment et le passage (est en acier. Avantageusement la couche protectrice est en une matière choisie dans le groupe formé par SiO2, SiC, SiN ou un nitrure. Enfin l'invention concerne l'application d'un capteur de force en forme d'aiguille selon l'invention, comme capteur de pression moyenne dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - les figures 1A-1C montrent schématiquement la construction strati- fiée d'un capteur selon l'invention, comportant un convertisseur piézorésistant, - les figures 2A-2C montrent schématiquement un autre mode de réalisation du capteur de la figure 1, - les figures 3A et 3B montrent schématiquement la construction stratifiée d'un capteur selon l'invention comportant un convertisseur piézo-électrique, - la figure 4 montre schématiquement le montage de capteurs selon l'invention sur une plaquette (puce) ainsi que le procédé de division. Description de modes de réalisation On peut fabriquer les éléments de capteur à convertis- seur piézo-résistant SI et des capteurs à convertisseur Si piézo- électriques. La construction des deux variantes sera décrite ci-après. Elément de capteur comportant un convertisseur piézorésistant. La construction stratifiée est représentée à la figure 1A. Le point de départ est un substrat de silicium, notamment un substrat de SOI (silicium sur isolant). La couche supérieure 11 (couche fonctionnelle) peut également être réalisée par un procédé de tranchée avec au moins un élément piézo-électrique 12, par exemple une couche piézo-électrique ou une résistance piézo-électrique. Une épaisseur caracté- ristique de la couche et ainsi des éléments piézo-électriques est de l'ordre de un m. Les éléments piézo-électriques 12 sont branchés par l'intermédiaire de chemins conducteurs métalliques 13 qui rejoignent dans la conception du capteur, allongé, en forme d'aiguille, vers l'arrière, c'est-à-dire du côté ne comportant pas les éléments piézo-électriques, des pattes de contact 14 correspondantes. Ensuite, on dé-pose un couche protectrice 15 (par exemple une couche d'oxyde protecteur tel que SiO2 ou analogue ou SiC, SiN, etc.) sur la couche 11 pour enfouir les éléments piézo-électriques 12 et les chemins conducteurs métalliques 13. Ensuite, pour réaliser un préconditionnement, on fixe par voie anodique un autre substrat de silicium 16 préalablement structuré. Ce capuchon de plaquette 16 doit laisser libre, à l'endroit du patin de contact, c'est-à-dire chaque fois à l'extrémité arrière, à l'opposé de celle des éléments piézoélectriques, des éléments de capteur en forme d'aiguille, une ouverture ou laisser libre les patins de contact. Cette ouverture peut être fabriquée par une gravure par KOH ou par un procédé de tranchée en vrac dans toute l'épaisseur de la plaquette. Les aiguilles de capteur sont séparées par une opération de sciage. Cela permet de fabriquer un très grand nombre de capteurs sur une plaquette. La figure 4 montre, en vue de dessus, un détail de la plaquette 40. Les capteurs 42 sont disposés alternativement de sorte que le capuchon de plaquette ne perd pas trop de sa solidité à cause des trous. Les chemins de sciage 44 sont marqués. Comme le silicium a des coefficients piézorésistants sensiblement identiques dans la direction longitudinale et dans la direction transversale, mais avec des signes algébriques différents, lorsqu'il est sollicité par une pression hydrostatique, il ne donne qu'un signal minimum. Une application directe de la pression sur la pointe de l'aiguille par le contact avec le fluide n'est pas intéressante pour cette raison. Pour obtenir un rendement de signal avantageux, c'est-à- dire un rendement de signal qui dépasse de manière significative celui, par exemple, des capteurs en couche mince, il faut rompre la symétrie. Cela peut se faire par exemple à l'aide de la structure présentée aux figures 2A et 2B. L'aiguille SI (élément de capteur) 20 est noyée dans une matière rigide 21, par exemple un verre de scellement dans un boîtier 22 par exemple en acier. La matière de remplissage sert à transmettre l'effort (la force). La rupture de la symétrie s'obtient par un décolletage annulaire local 23 du boîtier en acier 22. Celui-ci peut se faire soit radialement dans la zone de la résistance piézo-électrique 12 (figure 2A) ou en fabriquant une membrane 24 sur la face frontale 25 du boîtier en acier 22 (figure 2B) . On crée ainsi une direction préférentielle, par exemple pour mesurer la pression (voir la flèche à la figure 2B). Dans le second cas, la pointe 26 de l'aiguille est disposée avec l'élément piézo-électrique 22 aussi près que possible de la face frontale 25 du boîtier 22. L'application d'une pression hydrostatique par mise en place directe de la zone sensible (élément piézo-électrique 12) dans le milieu, tel que par exemple de l'essence, du gasoil ou de l'air, est possible malgré la propriété décrite du silicium, avec la modification repré- sentée à la figure 1C; la figure 1C est une coupe sur une ligne A-A de la figure I B. Le capuchon de plaquette 16 est structuré par lithographie de face arrière et par une opération de tranchée de façon qu'au niveau de la résistance piézo-électrique 12, on obtienne un poinçon 17. Celui-ci pousse directement sur l'élément piézo-électrique 12. La caverne 18 emprisonnée est mise sous vide (capteur de pression absolue). La métallisation 19 sert à établir le contact des éléments piézo-électriques qui, dans le cas présent, sont des résistances piézo-électriques. Le capteur lui-même peut alors être réalisé comme le montre la figure 2C. La couche fonctionnelle Si (11) avec les résistances piézo-électriques 12 doit avoir une orientation (110) (une sensibilité maximale lorsque la surface de la plaquette est sollicitée perpendiculairement). Pour séparer le mi-lieu, seule la tige d'aiguille 27 est insérée dans un passage traversant 21 (verre de scellement) alors que la pointe de l'aiguille et son élément sensible se trouvent directement exposés dans le milieu. Le contact se fait également dans la zone arrière, c'est-à-dire dans la zone derrière la surface d'étanchéité (sertissage métallique) à l'aide de câbles de liaison ou d'un film flexible. Dans le cas de milieux agressifs, on peut passiver les pointes de capteur. Il est intéressant pour cela d'utiliser par exemple des couches de SiC ou DLC. Cela permet également d'installer la pointe d'aiguille directement par exemple dans la chambre de combustion. L'avantage important de la conception du capteur en forme d'aiguille est que la sone sensible peut être fermée hermétiquement, y compris les conduites d'alimentation. Elément de capteur comportant un convertisseur formé d'une couche mince piézo-électrique. La figure 3A montre une telle construction stratifiée. Comme substrat de base 300, on utilise là encore du silicium pur. Sur cette structure de base ou sur une métallisation de structure appro- priée, on dépose la couche mince piézo-électrique 31. On peut utiliser à cet effet par exemple un procédé de pulvérisation pour déposer du ZnO, ALM (à orientation d'axe c) structuré. Cette dernière classe de matière fait partie des piézo-électriques, non ferroélectriques, et ne perd pas ses propriétés piézo-électriques aux températures élevées. Grâce à l'anisotropie des coefficients piézo-électriques, de telles couches fournissent un signal même en cas de contrainte hydrostatique. Cela per- met de disposer la pointe de l'aiguille dans le milieu (par exemple la chambre de combustion) sans autre procédé de structure. La couche mince y compris l'éventuelle métallisation est, par exemple, noyée dans de l'oxyde 52. Ensuite, on fixe par voie anodique un capuchon de plaquette 33 de manière à fermer hermétiquement la zone sensible, y compris les lignes d'alimentation 34 de la patte de contact 35. La division se fait là encore par sciage comme le montre la figure 4. Toutefois, il suffit ici d'avoir deux pattes de contact par capteur (au lieu des quatre pattes présentées dans le dessin). En variante de la solution à couche mince décrite ci-dessus (cette solution utilise de nombreuses étapes de procédé), on peut également utiliser des matières piézo-électriques monocristallines (figure 3B) disponibles sous la forme de plaquettes hexagonales, par exemple de Langazite 36. Après dépôt, mise en structure et passivation des électrodes métalliques 37 sur la face avant et/ou la face arrière, on peut de nouveau diviser la plaquette de Langazite 36 noyée dans un passage en acier 38, par exemple par sciage pour former les différents capteurs aiguille (figure 3B). La passivation se fait par un revêtement d'une couche protectrice 39 notamment d'un oxyde protecteur tel que SiO2 ou SiC, SiN ou un composant analogue. Pour mesurer une pression dans des milieux agressifs, il peut être nécessaire d'assurer la séparation du milieu par l'intermédiaire d'un boîtier en acier. Dans ce cas, on peut utiliser une construction analogue à celle de l'élément de capteur en aiguille piézorésistant, présenté aux figures 2A et 2B. Comme l'élément de capteur en aiguille piézo-électrique fournit également des signaux lorsqu'il est soumis à une pression hydrostatique, on peut toutefois renoncer à l'encoche radiale destinée à rompre la symétrie ou à créer une mem- brane. De manière avantageuse, on peut rompre la symétrie par un amincissement local du boîtier en acier pour éliminer les sensibilités transversales (contraintes de montage, grandeurs perturbatrices). Pour les milieux non agressifs, le mode de réalisation de la figure 3B constitue une possibilité de montage et d'installation sim- pie. Le capteur, selon l'invention, peut être utilisé non seule-ment pour déterminer une pression dans une chambre de combustion mais également, par exemple, comme capteur de haute pression ou de moyenne pression dans la technique d'injection de diesel (rampe corn- mune), dans le cas d'une injection directe d'essence, dans des systèmes de freins (systèmes ABS, ESP) et l'aiguille de capteur, seule, peut en outre être utilisée comme capteur de pression, par exemple pour déterminer la force d'assise. REVENDICATIONS 1 ) Capteur de pression en forme d'aiguille (100) comportant un élément de capteur comprenant: - un premier substrat en silicium (10) ayant au moins un élément pié- zoélectrique (12) réalisé sur le premier substrat de silicium (10) et dont le branchement se fait par des chemins conducteurs métalliques (13) dans la direction de la forme d'aiguille vers des pattes de contact (14) correspondantes, prévues à l'extrémité du capteur en forme d'aiguille à l'opposé de l'élément piézoélectrique (12), - une couche protectrice déposée sur l'élément piézoélectrique (12) et sur les chemins conducteurs métalliques (13), l'élément piézoélectrique (12) et les pattes de contact (14) étant intégrés dans la couche protectrice (15), - ainsi qu'un second substrat de silicium (16) fixé sur la couche pro- tectrice (15), le second substrat de silicium (16) laissant dégagée l'étape de contact (14). 2 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier substrat de silicium est un substrat de silicium sur isolant SOI. 3 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la couche protectrice (15) est notamment une couche de SiO2, SiC ou SiN. 4 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézo-électrique est une couche piézoélectrique. 5 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément piézo-électrique est une résistance piézoélectrique. 6 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de capteur est noyé avec une matière rigide (21) dans un boîtier (22). 7 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 6, caractérisé en ce que la matière rigide (21) est du verre de scellement et le boîtier (22) est en acier. 8 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 7, caractérisé en ce que le boîtier (22) est aminci localement, radialement dans la zone de l'élément piézo-électrique (12). 9 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 7, caractérisé en ce que le boîtier (22) est aminci localement sur la face frontale (25) de l'élément de capteur au niveau de l'élément piézoélectrique (12). 10 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu' uniquement la partie centrale de l'élément de capteur est noyée avec 25 une matière rigide (21) dans un boîtier (22) et la zone autour de l'élément piézo-électrique (12) reste dégagée. 11 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second substrat en silicium (16) est structuré. 12 ) Capteur de force en forme d'aiguille selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second substrat en silicium (16) est structuré pour former un point 35 sonde(17) au niveau des éléments piézoélectriques (12). 13 ) Application d'un capteur de force en forme d'aiguille selon l'une des revendications 1 à 12, comme capteur de pression moyenne d'une chambre de combustion d'un moteur à combustion interne. 14 ) Capteur de force (200) en forme d'aiguille comportant un élément de capteur formé d'une matière de support (36) monocristalline, piézoélectrique, caractérisé en ce que les deux grands côtés de la matière de support (36) présente des élec- trodes métalliques (37) pour détecter la force et l'extrémité de l'élément de capteur, à l'opposé des électrodes (37) comporte pour le branche-ment de l'élément de capteur, des pattes de contact (35) protégées par une couche protectrice de passivation (37), et les électrodes (37) et les pattes de contact (35) sont reliées par des che- mins conducteurs métalliques (40) traversant la couche protectrice de passivation (39). 15 ) Capteur de force (200) en forme d'aiguille selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'élément piézo-électrique est une résistance piézo-électrique. 16 ) Capteur de force (200) en forme d'aiguille selon la revendication 14, caractérisé en ce que la partie centrale de l'élément de capteur est noyée avec une matière rigide (41) dans un passage (38), et la zone autour des électrodes (37) reste libre. 17 ) Capteur de force (200) en forme d'aiguille selon la revendication 16, caractérisé en ce que la matière rigide (41) est du verre de scellement et le passage (38) est en acier. 18 ) Capteur de force (200) en forme d'aiguille selon la revendication 14, caractérisé en ce que la couche protectrice (39) est en une matière choisie dans le groupe formé par SiO2, SiC, SiN ou un nitrure. 19 ) Application d'un capteur de force en forme d'aiguille selon l'une des 5 revendications 14 à 18, comme capteur de pression moyenne dans la chambre de combustion d'un moteur à combustion interne.