Brevet FR2965050A1 — publié le 20120323

CAPTEUR DE PRESSION ET DE TEMPERATURE BAS COUT COMPORTANT DES RESONATEURS SAW ET SON PROCEDE DE FABRICATION Le domaine de l'invention est celui des capteurs passifs interrogeables à distance et notamment des capteurs de contrainte et en particulier les capteurs de pression et de température à base de résonateurs à ondes acoustiques de surface, appelés couramment SAW (de l'anglais « Surface Acoustic Wave »). Le principe d'interrogation d'un capteur SAW à base de résonateur est illustré en figure 1. Le système complet se compose d'une unité d'interrogation (constitué elle-même d'une partie émetteur et d'une partie récepteur) et du 1 o capteur de pression SAW. Le système d'interrogation ainsi que le capteur SAW sont munis d'une antenne adaptée à la bande de fréquence de travail (bande ISM 433 MHz, 868 MHz, 2.45 GHz,...) ce qui permet d'effectuer une interrogation sans fil du capteur. Le mode d'interrogation est le suivant : 15 L'émetteur du système d'interrogation 1 envoie un signal d'interrogation vers le capteur SAW à une fréquence proche de la fréquence de résonance du capteur correspondant à l'étape schématisée par le bloc B1 : - le signal électromagnétique reçu par l'antenne du capteur est converti en onde de surface via un structure à peignes inter-digités qui se 20 charge grâce aux propriétés piézoélectriques du substrat utilisé (quartz par exemple) correspondant au résonateur de type SAW, étape illustrée par le bloc B2 , cette onde de surface voit ses propriétés modifiées en fonction de la pression et/ou de la température qui affectent les conditions de propagation (vitesse en 25 particulier qui va affecter la fréquence de résonance ; - le capteur re-émet un écho à sa fréquence de résonance propre qui porte l'information liée au phénomène que l'on cherche à identifier : variation de température et/ou de pression, étape B3 ; - le récepteur du système d'interrogation 1 détecte en dehors de la 30 plage temporelle d'émission tout ou partie de l'écho du capteur SAW et extrait de la réponse reçue l'information recherchée pouvant concernée la température et/ou la pression, étape B4. De manière générale, la structure à peignes inter-digitées peut être intégrée entre des réflecteurs, créant une cavité résonante caractérisée par une certaine fréquence de résonance. Cette fréquence dépend en premier lieu de la vitesse de propagation des ondes sous le réseau qui dépend elle-même principalement de l'état physique du substrat. Elle est donc sensible aux effets de contraintes appliquées sur le substrat. C'est donc à partir de la variation de fréquence induite mesurée par le système d'interrogation que l'état de contrainte en particulier, peut être évalué. Dans le cas d'une mesure de contrainte, par exemple un effet de 1 o pression hydrostatique, il est possible de réaliser une mesure différentielle. Si l'on utilise deux résonateurs conçus pour être compensés des effets thermiques quasi-statiques à la température de travail du capteur, et dont seul l'un des deux est soumis aux effets de contrainte, alors la différence de fréquence entre les deux résonateurs est représentative uniquement des 15 effets de contrainte. Une telle mesure est ainsi dite référencée. Dans le cas d'un capteur de pression utilisant une référence, au moins un des résonateurs est sensible à la pression appliquée. Cela peut être réalisé en localisant par exemple le résonateur sur une partie amincie du substrat piézoélectrique. Sa variation de fréquence est linéaire en fonction de 20 la pression (dans la limite des déformations linéaires) : f( P) = f (Po) + Sp x P Sp (exprimée en KHz par MPa par exemple) désigne la sensibilité à la pression. Celle-ci dépend de la géométrie du diaphragme et des propriétés du substrat piézoélectrique. P désigne la surpression (ou sous pression) par 25 rapport à la pression de référence Po. Selon l'art connu, un capteur de pression et de température peut avantageusement être fondé sur une structure différentielle utilisant trois résonateurs SAW. Un premier résonateur dit de pression utilise l'axe de propagation X, 30 comme un second résonateur RSAW, mais est positionné dans une zone amincie de sorte que quand une surpression ou une sous pression (par rapport à la pression de la cavité) est exercée sur la face inférieure du dispositif, la fréquence dudit premier résonateur varie proportionnellement. Ledit premier résonateur utilise la même direction de propagation que le 35 second résonateur (même dépendance de la fréquence en fonction de la température). La différence de fréquence entre les premier et second résonateurs permet par conséquent d'obtenir une information uniquement liée à la pression exercée sur la face inférieure du dispositif indépendante de la température. Le second résonateur utilisant l'axe de propagation habituel X est situé dans une zone exempte de contraintes. Un troisième résonateur également localisé dans une zone exempte de contraintes, est incliné d'un certain angle typiquement 20° par rapport à l'axe X. Le fait d'incliner ledit troisième résonateur confère à ce dernier une sensibilité différente vis à vis 1 o de la température. La différence de fréquence entre les second et troisième résonateurs permet par conséquent d'obtenir une information uniquement liée à la température indépendante de l'état de la pression exercée sur la face inférieure du dispositif. Le fait d'utiliser une structure différentielle présente l'avantage de 15 diminuer la non linéarité du capteur sachant que les non linéarités résiduelles sont corrigées par le calibrage du capteur. Un autre avantage de la structure différentielle réside dans le fait que l'on peut s'affranchir en grande partie des effets de vieillissement. 20 Un exemple de réalisation d'un capteur SAW pour mesurer la pression et la température selon l'état de l'art est par ailleurs illustré en figure 2. Selon cette configuration, le capteur de type puce en quartz (puce AQP pour « AII Quartz Package ») est constitué d'une embase 10 contenant les résonateurs SAW : R1, R2 et R3 et d'un capot 20 en quartz solidaire de 25 l'embase via un cordon de pâte de verre). L'embase est par ailleurs collée sur un circuit imprimé 30 compatible des températures d'utilisation, l'ensemble étant fermé par un couvercle de protection 40 en matériau plastique. La puce comporte ainsi les trois résonateurs R1, R2 et R3. Le 30 résonateur R1 est localisé sur une zone amincie (membrane obtenue par un procédé d'usinage mécanique par exemple) et sa fréquence de résonance dépend par conséquent de la pression extérieure et de la température. La pression extérieure est transmise via un gel silicone 60 incompressible (par exemple) qui remplit le diaphragme. Le résonateur R2 présente une structure très voisine de celle du résonateur R1 mais est positionné dans une zone où les contraintes liées à la pression sont négligeables (zone non amincie). Le résonateur R2 présente en particulier la même sensibilité à la température que le résonateur R1. La différence de fréquence entre les résonateurs R1 et R2 fournit par conséquent une information qui dépend majoritairement de la pression. Le résonateur R3 est également positionné dans une zone où les contraintes liées à la pression sont négligeables. Celui-ci est incliné par rapport aux résonateurs R1 et R2. Cette orientation lui confère une sensibilité 1 o différente en température par rapport au résonateur R2 en particulier. La différence de fréquence entre les résonateurs R2 et R3 fournit par conséquent une information qui dépend uniquement de la température. Ce type de structure présente néanmoins quelques inconvénients : - celle-ci nécessite un calibrage individuel des capteurs en pression et 15 en température du fait des dispersions technologiques des procédés de fabrication des résonateurs et d'usinage du substrat quartz pour réaliser la membrane ; - l'insensibilité aux contraintes associées à la pression du gaz ou du fluide des résonateurs R2 et R3 dépend fortement des tolérances 20 d'assemblage en particulier du collage de la puce AQP ; - le coût des puces AQP est élevé du fait de la complexité du procédé de fabrication. Celui-ci requière en effet une première phase de perçage des wafers capot (qui ainsi fragilisés génèrent des problèmes de rendement), une phase de dépôt de pâte de verre sur les wafers 25 capot et un procédé de scellement verre. C'est pourquoi dans ce contexte, la présente invention a pour objet une nouvelle architecture comprenant un boîtier avec embase céramique similaire en tout point à la technologie des boîtiers standards utilisés dans 30 l'industrie microélectronique. Plus précisément la présente invention a pour objet un capteur de pression et de température comprenant au moins un premier résonateur de type SAW comportant un substrat piézoélectrique au moins localement aminci de type membrane, un second résonateur de type SAW comprenant 35 un substrat piézoélectrique et un troisième résonateur de type SAW comprenant un substrat piézoélectrique, caractérisé en ce que le premier, le second et le troisième résonateurs sont respectivement à la surface d'un premier, second et troisième substrats unitaires piézoélectriques, chacun des substrats unitaires étant positionnés à la surface d'une embase commune. Selon une variante de l'invention, les premier, second et troisième substrats unitaires sont en quartz. Selon une variante de l'invention, les premier et second substrats unitaires présentent une première coupe de quartz, le troisième substrat unitaire présentant une seconde coupe de quartz. Selon une variante de l'invention, le capteur comprend un capot à la surface de ladite embase, commun aux trois résonateurs. Selon une variante de l'invention, le capot est métallique. Selon une variante de l'invention, les résonateurs sont réalisés sur une embase céramique. Avantageusement cette embase céramique est un substrat de type HTCC pour « High Temperature Cofired Ceramic ». Selon une variante de l'invention, le capot et l'embase sont en contact direct. Selon une variante de l'invention, les trois substrats sont solidarisés à ladite embase par une même colle. Selon une variante de l'invention, le premier substrat est solidarisé de l'embase avec une première colle, les second et troisième substrats étant solidarisés de l'embase avec une seconde colle. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un capteur selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes 25 suivantes : - la réalisation d'un premier, d'un second et d'un troisième résonateurs comprenant respectivement un premier, un second et un troisième substrats unitaires piézoélectriques, le premier résonateur comportant en outre au moins une partie de substrat amincie, de manière à 30 définir trois puces unitaires ; - l'assemblage desdites puces unitaires à la surface d'une embase commune ; - la perforation locale de ladite embase de manière à dégager le premier substrat et le rendre opérationnel à des variations de pression. Selon une variante de l'invention, le procédé comprend une étape d'amincissement du premier substrat réalisée par un procédé de micro-usinage, après assemblage des trois puces unitaires sur ladite embase. Selon une variante de l'invention, le procédé comporte une étape d'amincissement dudit premier substrat avant assemblage desdites puces sur ladite embase. Selon une variante de l'invention, le procédé comporte en outre une étape de report de capot sur ladite embase. Selon une variante de l'invention, les puces sont solidarisées à 10 l'embase avec une colle. Selon une variante de l'invention, les puces sont solidarisées de l'embase avec une pâte de verre. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à 15 la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre le principe d'interrogation sans fil d'un capteur SAW constitué d'un résonateur selon l'art connu ; - la figure 2 illustre un exemple de capteur de pression et de 20 température utilisant trois résonateurs de type SAW selon l'art connu ; - la figure 3 illustre un premier exemple de capteur de pression et de température selon la présente invention ; - la figure 4 illustre un second exemple de capteur de pression et de température selon la présente invention. 25 Selon la présente invention, le capteur de pression et de température comprend trois puces séparées comme illustré en figure 3. Plus précisément, chacune des puces comporte un substrat unitaire piézoélectrique à la surface duquel sont réalisés des jeux d'électrodes de manière à définir trois 30 résonateurs R11, R12 et R13, ces trois puces étant solidarisées sur une embase commune E dans laquelle sont réalisés des circuits d'interconnexion Ici et Ici de manière à pouvoir connecter l'ensemble desdits résonateurs. L'embase est localement percée de manière à rendre opérationnel le résonateur R11 dédié aux mesures de pression comme explicité 35 précédemment, ledit résonateur R11 présentant une membrane piézoélectrique sensible aux variations de pression dans un environnement donné. L'ensemble est rendu hermétique grâce à l'emploi d'un capot C fixé sur ladite embase (également grâce au mode de la puce R11) et permettant ainsi d'encapsuler l'ensemble des résonateurs. Avantageusement l'embase peut être de type « HTCC » pour « High Temperature Cofired Ceramic » correspondant à un support céramique composé de plaques diélectriques en céramique, préalablement muni de motifs conducteurs, résistances, capacités, et de trous métallisés pour les connexions entre les plaques. 1 o Une telle configuration présente un certain nombre d'avantages : - le fait de disposer de trois puces séparées permet d'appliquer les procédés d'appairage nécessaires pour obtenir un capteur sans calibrage ; - le fait de pouvoir utiliser une coupe de quartz différente pour le 15 résonateur R13 par rapport aux résonateurs R11 et R12 permet de s'affranchir des difficultés de conception du résonateur R13 puisque celui-ci peut utiliser l'axe de propagation X habituel. La dispersion de fréquence liée aux tolérances de fabrication est de surcroît diminuée ce qui peut permettre d'augmenter in fine la précision du capteur ; 20 - la séparation des trois puces permet également d'obtenir une amélioration de l'isolation mécanique entre la zone avec contraintes correspondant à la zone dans laquelle est située le résonateur R11 et la zone avec contraintes minimales dans laquelle sont positionnés les résonateurs R12 et R13. 25 Avantageusement, la même colle est utilisée pour les trois résonateurs afin d'avoir une compensation optimale des contraintes engendrées par la différence de coefficient de dilatation thermique CTE entre l'embase céramique, la colle et les puces SAW. La colle utilisée doit également permettre de garantir l'herméticité du capteur grâce au collage de 30 la puce relative au résonateur R11. Par ailleurs, le coût de fabrication d'un tel capteur est fortement réduit par rapport à la configuration de capteur selon l'art connu et illustré en figure 2 du fait que toutes les opérations d'usinage des capots, de dépôt de pâte de verre, et de scellement verre sont éliminées. Outre l'économie de la 35 matière (wafer capot), le test électrique après scellement verre n'a plus lieu d'être. le fait de ne plus utiliser de scellement verre permet également de diminuer la taille des puces et de facto de diminuer le coût de fabrication de celles-ci (augmentation du nombre de dispositifs par wafers). Il est à noter également que l'utilisation d'un boîtier céramique (type HTCC standard) avec capot métallique (fermeture par soudure électrique pour être compatible de températures d'utilisation élevées) permet également de réduire significativement le prix du composant dans une gamme compatible des marchés gros volumes tout en conservant la possibilité d'avoir une encapsulation sous vide propice à la maximisation de la surtension des résonateurs (impact sur le bilan de liaison et par conséquent sur la distance d'interrogation). Une variante de l'invention représentée en figure 4 illustre un second exemple de capteur selon l'invention On procède à une étape d'amincissement du substrat piézoélectrique avant ou après découpe de la puce comportant le résonateur R21 et on reporte celle-ci avec le même procédé que celui décrit précédemment. La figure 4 met en évidence les trois résonateurs R21, R22 et R23 20 Cette solution présente l'avantage de ne plus avoir à employer de procédé de micro-usinage local qui peut être couteux. REVENDICATIONS1. Capteur de pression et de température comprenant au moins un premier résonateur (R11, R21) de type SAW comportant un substrat piézoélectrique au moins localement aminci de type membrane, un second résonateur (R21, R22) de type SAW comprenant un substrat piézoélectrique et un troisième résonateur (R31, R32) de type SAW comprenant un substrat piézoélectrique, caractérisé en ce que le premier, le second et le troisième résonateurs sont respectivement à la surface d'un premier, second et troisième substrats unitaires piézoélectriques, chacun des substrats unitaires étant positionnés à la surface d'une embase commune (E). 2. Capteur de pression et de température selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier, second et troisième substrats unitaires sont en quartz. 3. Capteur de pression et de température selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second substrats unitaires présentent une première coupe de quartz, le troisième substrat unitaire présentant une seconde coupe de quartz. 4. Capteur de pression et de température selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il présente un capot (C) à la surface de ladite embase, commun aux trois résonateurs. 5. Capteur de pression et de température selon l'une des 25 revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un capot métallique. 6. Capteur de pression et de température selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en que ce que les résonateurs sont réalisés sur une embase céramique. 7. Capteur de pression et de température selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le capot et l'embase sont en contact direct. 30 8. Capteur de pression et de température selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les trois substrats sont solidarisés à ladite embase par une même colle. 9. Capteur de pression et de température selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le premier substrat est solidarisé de l'embase avec une première colle, les second et troisième substrats étant solidarisés de l'embase avec une seconde colle. 10 10. Procédé de fabrication d'un capteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - la réalisation d'un premier, d'un second et d'un troisième résonateurs comprenant respectivement un premier, un second et un 15 troisième substrats unitaires piézoélectriques, le premier résonateur comportant en outre au moins une partie de substrat amincie, de manière à définir trois puces unitaires ; - l'assemblage desdites puces unitaires à la surface d'une embase commune ; 20 - la perforation locale de ladite embase de manière à dégager le premier substrat et le rendre opérationnel à des variations de pression. 13. Procédé de fabrication d'un capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'amincissement du premier 25 substrat réalisée par un procédé de micro-usinage, après assemblage des trois puces unitaires sur ladite embase. 14. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'amincissement dudit premier substrat avant 30 assemblage desdites puces sur ladite embase. 15. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de report de capot sur ladite embase. 3514. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que les puces sont solidarisées à l'embase avec une colle.