Brevet FR2952427A1 — publié le 20110513

La présente invention concerne un résonateur, un capteur vibrant comportant un tel résonateur et un procédé de fabrication de ce résonateur. Un tel résonateur est par exemple utilisé dans des capteurs vibrants de type gyroscopes et gyromètres. Le principe général d'un capteur vibrant est de soumettre un résonateur à une vibration et détecter une grandeur physique représentative d'une influence d'une accélération sur la vibration. Il existe des capteurs vibrants comportant une plaque porte-électrodes sur laquelle est monté un résonateur. Le résonateur comprend un corps comportant une partie résonante sensiblement hémisphérique ayant un pôle relié à la plaque porte-électrodes par un pied central. La partie résonante comprend un voile hémisphérique délimité par une surface externe et une surface interne qui ont des bords libres reliés l'un à l'autre par une sur-face annulaire plane s'étendant en regard d'électrodes solidaires de la plaque porte-électrodes. La partie réso- nante et le pied sont recouverts d'une couche de conduction électrique. La couche de conduction électrique et les électrodes sont reliées à des potentiels différents de manière à provoquer une déformation périodique en ellipse du voile et à détecter l'orientation de l'ellipse en fonction par exemple des capacités de valeur dépendant de l'entrefer qui se forment entre les électrodes et la surface annulaire plane. Le corps est réalisé en silice pour ses propriétés isotropiques et son très faible amortissement mécani- que. Dans un mode de réalisation courant par le passé, la partie résonante et le pied sont recouverts en totalité par une couche de chrome formant la couche de conduction. On s'est cependant par la suite aperçu que la couche de chrome apportait un amortissement mécanique non négligeable. Il donc été envisagé des résonateurs dans la-quelle la couche de chrome ne s'étend pas sur la totalité de la partie résonante : la couche de chrome recouvre alors le pied et la surface annulaire et comporte des branches s'étendant sur la surface interne depuis le pied jusqu'à la surface annulaire. L'amortissement a ainsi pu être réduit de manière importante permettant une forte augmentation des performances des capteurs vibrants inté- grant ces résonateurs. Le remplacement du chrome par le platine dans ces résonateurs a par la suite permis d'améliorer encore les performances des capteurs vibrants. La silice est cependant un matériau très actif en surface qui tend à établir des liaisons avec son environnement. En effet, la silice se couvre en surface de groupes silanol Si-OH ou silane Si-H fortement polaires qui peuvent se recombiner avec des éléments de son environne- ment. Dans les capteurs vibrants, le résonateur est sous vide de sorte que cette contamination de la silice est ignorée. Toutefois, les recherches ayant abouti à l'invention ont démontré qu'une telle contamination, même faible, de la silice laissée découverte par la couche de conduction entraîne une modification anisotropique instable des propriétés géométriques et d'amortissement mécanique du résonateur : cette modification est susceptible d'entraîner une dérive qui, du fait de son instabilité, ne peut être électroniquement compensée. Selon l'invention, on prévoit un résonateur comportant un corps en matériau siliceux ayant au moins une partie résonante comportant au moins une portion recouverte d'une couche de conduction électrique et une portion dépourvue de couche de conduction, la portion étant dépourvue de couche de conduction est recouverte d'une couche de passivation de telle manière que le matériau siliceux soit recouvert en totalité dans la partie résonante par la couche de conduction et par la couche de passivation. Ainsi, la couche de passivation protège le matériau siliceux qui n'est plus exposé aux contaminations dans la partie résonante. La couche de passivation n'a pour fonction première que d'isoler le matériau siliceux de son environnement et peut donc avoir une épaisseur ré- duite au minimum n'altérant pas ou que très peu les caractéristiques mécaniques, particulièrement d'amortissement, de la partie résonante. Avantageusement, la couche de passivation est en métal noble et, de préférence, le métal noble est le pla- tine. L'influence de la couche de passivation sur le comportement du résonateur est de la sorte minimal. Selon un mode de réalisation avantageux de la couche de passivation, la couche de conduction et la cou- che de passivation sont réalisées dans un même matériau et la couche de conduction a une épaisseur supérieure à une épaisseur de la couche de passivation. Ceci facilite la fabrication du résonateur. Selon un mode de réalisation avantageux du corps du résonateur, la partie résonante comprend au moins une portion de voile de forme sensiblement hémisphérique dé-limité par une surface externe et une surface interne qui sont recouvertes par la couche de passivation et qui ont des bords libres reliés l'un à l'autre par une surface annulaire plane recouverte de la couche de conduction et, de préférence, la couche de conduction comprend des branches s'étendant sur la surface interne depuis la surface annulaire jusqu'à un pôle de la surface interne. Le résonateur ainsi réalisé présente des proprié- tés mécaniques conférant de bonnes performances au cap- teur vibrant qui l'intègre. L'invention a également pour objet un capteur vibrant comportant une plaque porte-électrodes et un résonateur, le corps comportant un pied reliant la partie ré- sonante à la plaque porte-électrodes de telle manière que la couche de conduction s'étende en regard d'électrodes solidaires de la plaque porte-électrodes, le pied étant recouvert d'une couche de conduction électrique reliée à la couche de conduction de la surface annulaire par des moyens de liaison électrique. L'invention concerne enfin un procédé de fabrication d'un résonateur comportant un corps en matériau siliceux ayant au moins une partie résonante avec au moins une première portion recouverte d'une couche de conduc- tion électrique et une deuxième portion recouverte d'une couche de passivation en un même matériau que la couche de conduction, le procédé comportant l'étape de déposer sur la première portion et la deuxième portion une épais- seur de matériau suffisante pour former la couche de pas- sivation puis de déposer â nouveau sur la première portion une épaisseur de matériau telle que l'épaisseur totale de matériau déposé sur la première portion soit suffisante pour former la couche de conduction. Ce procédé de fabrication est particulièrement simple. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limita-tifs de l'invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un capteur selon un premier mode de réalisation, - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'un capteur selon un deuxième mode de réalisation. En référence aux figures, le capteur vibrant conforme à l'invention comprend une plaque porte-électrodes 1 sur laquelle sont formées des électrodes 2 qui sont disposées en cercle et sont reliées à une unité de commande non représentée. A la plaque porte-électrode 1 est fixé un résonateur généralement désigné en 3 comportant un corps en si-lice. Le corps comprend un voile hémisphérique 4 délimité par une surface externe 5 et une surface interne 6 ayant des bords libres reliés par une surface annulaire plane 7. Un pied 8 s'étend diamétralement depuis le pôle du voile hémisphérique 4 pour avoir une extrémité libre s'étendant au-delà de la surface annulaire 7 pour être fixée à la plaque porte-électrode 1. La zone Z du voile hémisphérique 4, s'étendant depuis la surface annulaire plane 7 vers le pôle sur environ 80 à 90 % de la hauteur du voile, constitue la partie résonante du corps du résonateur 3 (partie qu'on désignera Z par référence à la zone Z). Sur le corps du résonateur 3 s'étend une couche de conduction électrique 9 comportant une portion sensiblement cylindrique 9.1 recouvrant le pied 8, une portion annulaire plane 9.2 recouvrant la surface annulaire 7 et des branches 9.3 s'étendant sur la surface interne 6 entre la portion cylindrique 9.1 et la portion annulaire plane 9.2. Dans le premier mode de réalisation représenté à la figure 1, la couche de conduction 9 laisse ainsi dé- couverte la totalité de la surface externe 5 et les portions de la surface interne 6 s'étendant entre les branches 9.3. Une couche de passivation 10 s'étend ces portions de surface découverte : la totalité de la surface externe 5 et les portions de la surface interne 6 s'étendant entre les branches 9.3 sont ainsi recouvertes par la couche de passivation 10. La couche de conduction 9 et la couche de passivation 10 sont réalisées dans un même matériau conducteur de l'électricité et inerte chimiquement par rapport à l'environnement extérieur au résonateur 3 en utilisation. Le matériau choisi est un métal noble, ici le platine. La couche de conduction 9 a une épaisseur supérieure à une épaisseur de la couche de passivation 10. La couche de conduction 9 a une épaisseur supérieure à 15 nm et de préférence égale à 50 nm environ et la couche de passivation 10 a une épaisseur comprise entre 1 et 10 nm et de préférence égale à 5 nm environ (les rapports d'épaisseurs présentés sur les figures sont arbitraires). Le procédé de fabrication de ce résonateur corn- porte l'étape de déposer sur la totalité de la surface du corps du résonateur 3 une épaisseur de matériau suffisante pour former la couche de passivation 10 puis de dé-poser à nouveau sur le pied 8, sur la surface annulaire plane 7 et sur la surface interne 6 une épaisseur de ma- tériau telle que l'épaisseur totale de matériau déposé sur la première portion soit suffisante pour former la portion cylindrique 9.1, la portion annulaire plane 9.2 et les branches 9.3 de la couche de conduction 9. L'application de la première couche de platine est par exemple réalisée en appliquant le platine par des moyens assurant une rupture de liaisons du silicium dans la silice, et en soumettant le platine à un recuit à une température suffisante pour réduire une résistivité du platine tout en maintenant une continuité électrique de la couche de conduction. L'application du platine est réalisée ici par pulvérisation cathodique. Le recuit est effectué à une température comprise entre 400°C et 550°C, de préférence 550°C. Dans le deuxième mode de réalisation représenté à la figure 2, la couche de passivation 10' recouvre les portions de surfaces laissées découvertes par la couche de conduction mais seulement dans la partie résonante Z. La zone polaire de la surface externe 5 est ainsi laissée découverte tant par la couche de conduction 9 et par la couche de passivation 10'. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, la couche de passivation s'étend jusqu'à la couche de conduction du pied et a une épaisseur suffisante pour assurer une conduction électrique entre les deux couches de conduction. Le matériau de la couche de passivation peut être différent de celui mentionné et être différent de celui de la couche de conduction. Tout matériau inoxydable ayant la capacité de développer des liaisons avec le silicium est utilisable pour former la couche de passivation le platine, l'iridium, l'osmium, le rhodium ou le ruthénium. La liaison électrique de la portion de couche de conduction 9.1 à la portion de couche de conduction 9.2 peut être en variante réalisée par la couche de passivation si celle-ci a une épaisseur suffisante rapportée à sa surface pour assurer un transfert suffisant de charges électriques (comme la surface de la couche de passivation est relativement importante, son épaisseur peut être relativement faible). Bien que l'invention ait été décrite en relation avec un substrat en SiO2 elle s'applique également à d'au- tres composés du silicium, notamment les SiN ; SIC ; Si cristallin, polycristallin ou poreux, du quartz fondu... Le résonateur peut avoir d'autres formes que celle décrite et par exemple une forme en poutre. REVENDICATIONS1. Résonateur (3) comportant un corps en matériau siliceux ayant au moins une partie résonante (Z) compor- tant au moins une portion recouverte d'une couche de conduction électrique (9) et une portion dépourvue de couche de conduction, caractérisé en ce que la portion dépourvue de couche de conduction est recouverte d'une couche de passivation (10, 10') de telle manière que le matériau siliceux soit recouvert en totalité dans la partie résonante par la couche de conduction et par la couche de passivation. 2. Résonateur selon la revendication 1, dans le-quel la couche de passivation (10, 10') est en métal no- ble. 3. Résonateur selon la revendication 2, dans le-quel le métal noble est le platine. 4. Résonateur selon la revendication 1, dans le-quel la couche de conduction (9) et la couche de passiva- tion (10, 10') sont réalisées dans un même matériau et dans lequel la couche de conduction a une épaisseur supérieure à une épaisseur de la couche de passivation. 5. Résonateur selon la revendication 4, dans le-quel la couche de conduction (9) a une épaisseur supé- rieure à 15 nm et de préférence égale à 50 nm environ et dans lequel la couche de passivation (10, 10') a une épaisseur comprise entre 1 et 10 nm et de préférence égale à 5 nm environ. 6. Résonateur selon la revendication 1, dans le- quel la partie résonante (Z) comprend au moins une por- tion de voile (4) de forme sensiblement hémisphérique dé- limité par une surface externe (5) et une surface interne (6) qui sont recouvertes par la couche de passivation (10, 10') et qui ont des bords libres reliés l'un à l'autre par une surface annulaire plane (7) recouverte dela couche de conduction (9). 7. Résonateur selon la revendication 6, dans le-quel la couche de conduction (9) comprend des branches (9.3) s'étendant sur la surface interne (6) depuis la surface annulaire (7) jusqu'à un pôle de la surface in-terne. 8. Capteur vibrant comportant une plaque porte-électrodes (1) et un résonateur (3) selon la revendication 6 ou 7, le corps comportant un pied (8) reliant la partie résonante (Z) à la plaque porte-électrodes de telle manière que la couche de conduction (9) s'étende en regard d'électrodes (2) solidaires de la plaque porte-électrodes, le pied étant recouvert d'une couche de conduction (9.1) électrique reliée à la couche de conduc- tion (9.2) de la surface annulaire par des moyens de liaison électrique (9.3). 9. Procédé de fabrication d'un résonateur (3) comportant un corps en matériau siliceux ayant au moins une partie résonante (Z) avec au moins une première por- tion recouverte d'une couche de conduction électrique (9) et une deuxième portion recouverte d'une couche de passivation (10) en un même matériau que la couche de conduction, le procédé comportant l'étape de déposer sur la première portion et la deuxième portion une épaisseur de matériau suffisante pour former la couche de passivation puis de déposer à nouveau sur la première portion une épaisseur de matériau telle que l'épaisseur totale de matériau déposé sur la première portion soit suffisante pour former la couche de conduction.