BR112014009888B1 - estrutura micromecânica e sensor de pressão diferencial - Google Patents
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Abstract
ESTRUTURA MICROMECÂNICA E SENSOR DE PRESSÃO DIFERENCIAL A presente invenção refere-se a uma estrutura micromecânica destinada a medir ou a detectar uma grandeza mecânica ou uma grandeza dinâmica, especificamente de uma estrutura micromecânica para a medida absoluta relativa ou diferencial de uma pressão. A estrutura micromecânica compreende uma membrana (20) deformável e um substrato de suporte (10), a membrana (20) compreende uma primeira parte (20a) e uma segunda parte (20b) circundada pela primeira parte (20a), segunda parte essa (20b) que apresenta uma espessura inferior à espessura da primeira parte (20a), e a membrana (20) está suspensa acima do substrato [ de suporte (10) definindo assim um espaço livre (30), sendo que a referida estrutura micromecânica comporta ainda um batente inferior (21) apropriado para limitar as deformações da membrana (20), sendo que referido batente inferior (21) está disposto acima do substrato de suporte (10) e se estende no espaço livre (30) a partir do referido substrato de suporte (10) em direção à membrana (20), sendo que o batente inferior (21) comporta ilhotes (101 -108) que se estendem no espaço livre (30) em direção à membrana (20) a partir de uma superfície plana do batente inferior (21), e os ilhotes (101 -108) formam uma estrutura em relevo de modo que em caso de contato entre os ilhotes (101 -108) e a parte fina (20b) da (...).
Description
[001] A presente invenção refere-se a uma estrutura micromecânica destinada a medir ou a detectar uma grandeza mecânica ou uma grandeza dinâmica, especificamente de uma estrutura micromecânica para a medida absoluta, relativa ou diferencial de uma pressão.
[002] Uma estrutura micromecânica para medir uma grandeza mecânica ou dinâmica tal como uma pressão compreende convencionalmente uma membrana deformável e um substrato de suporte, a qual membrana está suspensa acima do substrato de suporte definindo assim um espaço livre.
[003] Usos dessas membranas suspensas são conhecidos.
[004] Assim, sensores capacitivos ou sondas de tensão suportados pela membrana podem medir as deformações suportadas pela membrana submetida a um aporte externo de energia tal como, por exemplo, uma pressão aplicada perpendicularmente ao plano principal da membrana), observando as modificações de propriedades físicas da membrana associadas às deformações (tais como, por exemplo, uma mudança de capacidade elétrica ou de tensões internas).
[005] Dessa maneira, é possível medir, por exemplo, as modificações de energia aportada à membrana ou de força exercida sobre a membrana e, portanto, monitorar grandezas físicas em um certo meio (sejam elas grandezas de tipo dinâmico, isto é, de tipo aceleração ou de tipo desaceleração, e/ou de tipo mecânico).
[006] Tais membranas submetidas a fortes energias podem se tornar frágeis, suas propriedades intrínsecas podem ser alteradas, e sua estrutura pode se fissurar e mesmo se romper.
[007] A presente invenção permite corrigir pelo menos um dos inconvenientes precitados.
[008] Para esse fim a presente invenção propõe uma estrutura micromecânica destinada a medir ou a detectar uma grandeza mecânica ou uma grandeza dinâmica, que compreende uma membrana deformável e um substrato de suporte, a qual membrana compreende uma primeira parte e uma segunda parte circundada pela primeira parte, segunda parte essa que apresenta uma espessura inferior à espessura da primeira parte, e a membrana está suspensa acima do substrato de suporte definindo assim um espaço livre, sendo que a referida estrutura micromecânica comporta ainda um batente inferior apropriado para limitar as deformações da membrana, o qual batente inferior está disposto acima do substrato de suporte e se estende no espaço livre a partir do referido substrato de suporte em direção à membrana, sendo que o batente inferior comporta ilhotes que se estendem no espaço livre em direção à membrana a partir de uma superfície plana do batente inferior, e os ilhotes formam uma estrutura em relevo de modo que, em caso de contato entre os ilhotes e a parte fina da membrana, a superfície de contato entre os ilhotes e a parte fina da membrana seja pequena em relação às dimensões da parte fina da membrana.
[009] A presente invenção é vantajosamente completada pelas características a seguir, consideradas isoladamente ou em qualquer combinação tecnicamente possível: - os ilhotes comportam facetas inclinadas que estão orientadas de acordo com ângulos agudos superiores a zero grau em relação à superfície plana do batente inferior; - os ilhotes são em forma de platô; - o substrato de suporte apresenta ainda um recesso central transversal; - o batente inferior comporta um recesso central transversal em forma de cone; - ela compreende ainda um batente superior disposto acima da membrana; - o batente superior compreende recessos distribuídos em tomo de seu centro; - a base de suporte e o batente inferior são formados respectivamente de dois materiais diferentes um do outro; - o substrato de suporte é de vidro e no qual o batente inferior e o referido de suporte de vidro estão conectados por selagem anódica ou por meio de uma ligação molecular ou covalente com ou sem camada intermediária, ou por sinterização ou por brasagem; - a base de suporte e o batente inferior são formados de um único e mesmo material; - a base de suporte e os batentes são, cada um, de um material escolhido, entre os seguintes materiais: ligas; vidro; quartzo; alumina; cerâmica; Si; SiC; safira; - a parte fina da membrana apresenta uma espessura compreendida entre 20 pm e 100 pm; - os ilhotes apresentam uma altura compreendida entre 10 pm e 50 pm e uma largura máxima compreendida entre 20 pm e 200 pm.
[010] Além disso, a presente invenção propõe um sensor de pressão diferencial que compreende uma estrutura micromecânica de acordo com o primeiro aspecto da presente invenção.
[011] As vantagens da presente invenção são múltiplas.
[012] O batente inferior permite proteger a membrana das sobrepressões.
[013] O fato de prever um batente como elemento independente para a resistência às sobrepressões permite adicioná-lo a todas as estruturas micromecânicas já existentes, sem qualquer mudança dimensional da membrana deformável e sem nenhuma modificação do comportamento mecânico ou térmico da estrutura.
[014] Assim, a resistência da estrutura micromecânica é aumentada sem modificar a estrutura nem a geometria da membrana suspensa. Além disso, ela não modifica a estrutura nem a definição dos elementos de medida montados na membrana e não sobrecarrega a parte exposta da membrana.
[015] Além disso, os ilhotes permitem minimizar as tensões devidas à dilatação térmica do óleo ou de outro fluido (líquido ou gasoso) presente no espaço entre a membrana e o batente. Esses ilhotes permitem, ainda, uma boa circulação do fluido e permitem melhorar o enchimento da estrutura no caso de uso como sensor de pressão diferencial. Isso é muito importante no caso de um fluido viscoso, uma vez que os ilhotes permitem evitar o aparecimento de bolhas de ar no fluido, e reduzem assim os erros que poderiam ser devidos a uma má circulação do fluido, depois que a estrutura tiver sido enchida com o referido fluido, no caso de uso como sensor de pressão diferencial por exemplo.
[016] A estrutura micromecânica atinge, portanto, uma resistência às tensões externas sem ter de modificar para isso a membrana suspensa, e essa estrutura micromecânica pode assim funcionar, por exemplo, com membranas padrão.
[017] Outras características e vantagens da presente invenção aparecerão ainda na descrição a seguir que é meramente ilustrativa e não limitativa e deve ser lida em relação aos desenhos anexos, nos quais: - a figura 1 ilustra uma estrutura micromecânica de acordo com um modo de realização da presente invenção; - a figura 2 ilustra uma estrutura micromecânica de acordo com um modo de realização da presente invenção; - a figura ilustra uma vista de baixo da estrutura micromecânica da presente invenção; - a figura 4 ilustra um sensor diferencial de pressão que compreende uma estrutura micromecânica de acordo com a presente invenção; - a figura 5 ilustra uma vista detalhada de uma parte da estrutura micromecânica da presente invenção; - as figuras 6a e 6b ilustram duas vistas do batente inferior da estrutura micromecânica da presente invenção.
[018] Em todas as figuras, os elementos similares são identificados por referências numéricas idênticas.
[019] Uma estrutura micromecânica destinada a medir ou a detectar uma grandeza mecânica ou uma grandeza dinâmica tal como uma pressão compreende uma membrana 20 deformável e um substrato de suporte 10.
[020] Como é evidente nas figuras 1, 2 e 4, a membrana está disposta acima do substrato de suporte 10 para definir um espaço livre 30. Esse espaço livre 30 se destinada a ser enchido por um fluido no caso de uma estrutura micromecânica para uma medida diferencial da pressão. Nesse caso, uma pressão P1 provém de cima da estrutura e uma pressão P2 provém de baixo da estrutura (ver as figuras 1,2 e 4).
[021] A membrana 20 se destina a suportar elementos de medida de pressão 22, 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b.
[022] O espaço livre 30 é geralmente formado por microusinagem em um substrato inicial. As técnicas de microusinagem para formar tal espaço livre podem, por exemplo, ser gravação química tal como uma gravação KOH a uma temperatura determinada.
[023] De modo complementar, a membrana é constituída de duas partes distintas: uma primeira parte 20a que apresenta uma espessura superior a uma segunda parte 20b fina que serve de elemento ativo. A segunda parte 20b é circundada pela primeira parte 20a. A parte 20a é a que está em contato com o substrato de suporte 10 ao passo que a parte fina 20b está suspensa acima do espaço livre 30.
[024] A segunda parte 20b da membrana 20 apresenta uma espessura inferior à espessura da primeira parte 20a da membrana.
[025] A espessura da parte 20b fina está tipicamente compreendida entre 20 e 100 pm, e o valor está definido de acordo com a faixa da grandeza mecânica ou dinâmica a ser medida.
[026] Dessa maneira, a membrana 20, em particular sua parte fina 20b, pode se deformar sob o efeito de uma pressão P1 aplicada sobre essa parte.
[027] O substrato de suporte 10 pode ser um material à base de vidro, de quartzo silício, pyrex™, safira, alumina, Si, SiC.
[028] A espessura do substrato de suporte 10 está tipicamente compreendida entre 500 pm e 2000 pm.
[029] A membrana 20 está conectada ao substrato de suporte 10 por selagem anódica ou por meio de uma ligação molecular ou atômica com ou sem camada intermediária, ou por sinterização ou por brasagem.
[030] A membrana 20 é tipicamente formada a partir de um substrato por exemplo constituído de silício monocristalino como o SOI (em inglês, “Silicon On Insulator”) e o PSOI (em inglês, “Poly Silicon On Insulator”), de safira como o SOS (em inglês, “Silicon On Saphire”), ou de outro material como o SiCOl (em inglês, “SiC on Insulator”) ou o SiC.
[031] A membrana 20 comporta uma camada eletricamente isolante 22 tal como camada SÍO2 no caso de uma membrana 20 em SOI ou PSOI, depositada sobre superfície externa oposta ao espaço livre 30. Sobre essa camada isolante 22, diferentes materiais tais como nitretos, óxidos, camadas metálicas, silício mono e policristalino, estão dispostos de modo a formar as microestruturas 23a, 23b, 24a, 24b, 25a, 25b, 26a, 26b.
[032] As microestruturas podem assim formar sondas de tensões e servir de elementos de medida da grandeza física a ser medida, por exemplo uma pressão.
[033] Para assegurar as conexões, zonas de contatos elétricos 25a, 25b estão ainda dispostas sobre a membrana 20. Essas zonas de contatos elétricos 25a, 25b são, por exemplo, constituídas de alumínio, de ouro, de platina, de titânio, de tungsténio.
[034] Para proteger a membrana 20 contra deformações, em caso de sobrepressão proveniente de cima da estrutura, a estrutura micromecânica compreende um batente inferior 21 que limita as deformações da membrana 20. O batente inferior 21 está disposto acima do substrato de suporte 10 e se estende no espaço livre 30 a partir do substrato de suporte 10 em direção à membrana 20.
[035] O batente inferior 21 é, de preferência, constituído de um material idêntico ao da membrana 20 ou de ligas, safira, alumina, cerâmica, quartzo ou vidro. Ele pode também ser constituído em um material idêntico ao do substrato de suporte 10.
[036] O batente inferior 21 possui uma forma geral trapezoidal, sendo que a base maior está disposta sobre o substrato 10 de suporte e a base menor está disposta diretamente abaixo da membrana 20 em particular sob sua parte 20b fina, e essa base menor define uma superfície plana do batente 21 inferior.
[037] Para aumentar a eficácia do batente inferior 21, ele compreende (ver nas figuras 5 e 6a e 6b), sobre uma superfície plana, definida em particular pela base menor do batente inferior, ilhotes 100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108 que se estendem a partir de uma superfície plana do batente inferior 21, e a superfície plana corresponde à base dos ilhotes.
[038] Os ilhotes 100 -108 formam, assim, uma estrutura em relevo de modo que em caso de contato entre os ilhotes 100 -108 e a parte fina 20b da membrana 20, e a superfície de contato entre os ilhotes 100 -108 e a parte fina 20b da membrana 20 é pequena em relação às dimensões da parte fina 20b da membrana 20.
[039] Os ilhotes 100 -108 comportam vantajosamente facetas inclinadas que estão orientadas de acordo com ângulos agudos superiores a zero grau em relação à superfície plana do batente inferior. Eles apresentam, em particular, a forma de um platô.
[040] Os ilhotes assim formados permitem uma circulação ótima do fluido no espaço entre a membrana 20 e o batente inferior 21.
[041] Outra vantagem é que os ilhotes permitem igualmente minimizar os erros devidos à variação de densidade do fluido (em caso de variação de temperaturas durante o uso da estrutura micromecânica por exemplo de -50°C a 180 °C) no espaço situado entre o batente 21 inferior e a membrana 20.
[042] Os ilhotes possuem uma altura compreendida preferencialmente entre 10 pm and 50 pm, e uma largura na base compreendida entre 20 pm e 200 pm.
[043] Além disso, os ilhotes estão dimensionados para que a parte fina da membrana e os ilhotes estejam separados por um afastamento compreendido entre 5 e 30 pm, de preferência 10 pm.
[044] Os ilhotes são, por exemplo, obtidos por um processo de microusinagem que compreende etapas de fotolitografia e de gravação aplicado sobre a face superior do batente inferior 21. O tipo de gravação aplicado permite definir a forma dos ilhotes (forma de platô para uma gravação úmida anisotrópica tipo gravação KOH, forma TMAH com paredes verticais para uma gravação seca tipo RIE (em inglês, “Reactive Ion Etching’’)).
[045] De preferência, o batente inferior que compreende os ilhotes é obtido a partir de um substrato de silício no qual são formados por gravação os ilhotes e o recesso (ver a seguir). As zonas de pré-formação dos ilhotes são protegidas por uma máscara de preferência de SÍO2 + SiaN, e uma segunda máscara SÍO2 + Si3N é realizada após a ligação do batente inferior 21 ao substrato de suporte 1, a qual ligação é obtida de preferência por um selagem anódica, e o substrato de suporte é então de vidro.
[046] Como foi dito acima, existe um afastamento entre o batente 21 inferior e a membrana 20. Esse afastamento representa a distância máxima de deformação da membrana 20. Dessa maneira, uma deformação maior que esse afastamento posiciona então a membrana 20 em apoio contra o batente 21 o que impede uma superdeformação ligada a uma sobrepressão. É, em particular, contra os ilhotes que a membrana 20 vem se apoiar no caso de uma sobrepressão P1 proveniente de cima da estrutura.
[047] De modo vantajoso, o valor desse afastamento pode ser escolhido em função dos parâmetros de resistência à deformação da membrana 20 (dependendo de sua espessura e do material que a constitui) com um afastamento limiar a partir do qual a membrana corre o risco de se deteriorar.
[048] Dessa maneira, é possível ajustar os parâmetros do batente inferior 21 em função da aplicação desejada.
[049] Para a medida diferencial de a pressão, o substrato de suporte 10 compreende, portanto, um recesso 40 transversal que se prolonga de acordo com um recesso 40' no batente 21 inferior. Os recessos 40, 40' do substrato de suporte 10 e do batente 21 inferior são, de preferência, circulares.
[050] O recesso 40' do batente pode ser de diâmetro idêntico ou inferior ao diâmetro do recesso do substrato de suporte 10. Será, todavia, um recesso em forma de cone tal que o diâmetro maior do cone esteja do lado do substrato 10 de suporte e se reduza à medida que o recesso progride na espessura do batente 21 inferior.
[051] Deve-se notar que sem recesso 40, a estrutura micromecânica permite uma medida absoluta da pressão.
[052] O recesso 40 possui uma forma geométrica para acesso da pressão por meio do substrato de suporte 10. O recesso 40 pode assumir a forma de um cilindro simples de diâmetro geralmente compreendido entre 500 pm e 1500 pm, ou de uma forma mais complexa como, por exemplo, um cilindro duplo cuja parte superior terá um diâmetro inferior ao do cilindro simples.
[053] Os recessos 40, 40' do substrato de suporte 10 e do batente 21 inferior permitem a passagem de fluidos (gases ou líquidos) e são, portanto, necessários no caso de um sensor diferencial ou relativo para permitir a transferência da pressão P2 para a parte inferior da membrana 20.
[054] Os recessos 40, 40' no substrato de suporte 10 do batente inferior 21 são efetuados por gravação graças a uma solução alcalina de gravação anisotrópica (KOH, TMAH, ... ), realizada de preferência em duas etapas: uma primeira etapa de pré-gravação, e em seguida uma gravação final após a ligação do batente inferior 21 ao substrato de suporte 10, sendo que a ligação é de preferência obtida por um selagem anódica, e o substrato de suporte 10 então de vidro. Deve-se notar que as zonas que não devem ser gravadas são protegidas por um processo de fotolitografia 3D de tipo conhecido à base de resina espessa (espessura compreendida entre 10 pm e 50 pm).
[055] Para melhorar, a resistência da estrutura micromecânica para a medida diferencial da pressão, ela compreende ainda um batente superior 60 disposto acima da membrana 20 (ver as figuras 2 e 4).
[056] O batente superior 60 tem também a função de proteger mecanicamente a membrana 20 no caso da sobrepressão vir de baixo da estrutura (pressão P2 nas figuras 2 e 4).
[057] O batente superior 60 apresenta ainda um ou mais recessos 70 (tipicamente quatro) em seu centro e está conectado ao resto da estrutura via uma selagem anódica ou por meio de uma ligação molecular ou covalente com ou sem camada intermediária, ou por sinterização ou por brasagem.
[058] Os recessos 70 são perfurados no batente superior 60 para reduzir os efeitos de capilaridade e de dilatação em temperatura após enchimento pelo fluido, bem como para facilitar a transmissão da pressão P1. Recessos são realizados nos quatro cantos do batente 60 superior para permitir a conexão a uma caixa mecânica.
[059] De fato, como ilustra a figura 4, a estrutura descrita acima se destina a ser colocada em uma caixa B e será imersa no fluido (zonas em hachuras quadriculadas da figura 4).
[060] O batente superior 60 é obtido, de preferência, a partir de um substrato de vidro borossilicato perfurado.
[061] O batente superior 60 apresenta zonas de sobregravação, no nível das pistas metálicas bem como nos quatro cantos do batente superior, a fim de permitir a conexão elétrica e para facilitar o enchimento pelo fluido. Além disso, como acima, as zonas que não devem ser submetidas à sobregravação são protegidas por um processo de fotolitografia 3D de tipo conhecido à base de resina espessa.
Claims (13)
1. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, destinada a medir ou a detectar uma grandeza mecânica ou uma grandeza dinâmica, que compreende uma membrana (20) deformável e um substrato de suporte (10), a membrana (20) compreendendo uma primeira parte (20a) e uma segunda parte fina (20b) circundada pela primeira parte (20a), a segunda parte (20b) apresentando uma espessura inferior à espessura da primeira parte (20a), a primeira parte (20a) da membrana (20) estando em contato com o substrato de suporte (10), a segunda parte (20b) da membrana (20) estando suspensa acima do substrato de suporte (10) definindo assim um espaço livre (30), sendo que a estrutura micromecânica compreende ainda um batente inferior (21) apropriado para limitar as deformações da membrana (20), sendo que o batente inferior (21) está disposto acima do substrato de suporte (10) e se estende no espaço livre (30) a partir do substrato de suporte (10) em direção à segunda parte (20b) da membrana (20), o substrato de suporte (10) e o batente inferior (21) compreendendo um recesso central transversal (40, 40’); caracterizada pelo batente inferior (21) compreender ilhotes (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) que se estendem no espaço livre (30) em direção à segunda parte (20b) da membrana (20) a partir de uma superfície plana do batente inferior (21), e os ilhotes (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) formando uma estrutura em relevo de modo que em caso de contato entre os ilhotes (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) e a segunda parte (20b) da membrana (20), a superfície de contato entre os ilhotes (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) e a segunda parte (20b) da membrana (20) seja pequena em relação às dimensões da segunda parte (20b) da membrana (20); em que o recesso central transversal (40, 40’) do batente inferior (21) é em forma de cone.
2. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelos ilhotes (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) compreenderem facetas inclinadas que estão orientadas de acordo com ângulos agudos superiores a zero grau em relação à superfície plana do batente inferior (21).
3. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizada pelos ilhotes (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) serem em forma de platô.
4. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pela segunda parte (20b) da membrana (20) apresentar uma espessura compreendida entre 20 pm e 100 pm.
5. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelos ilhotes (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) estarem dimensionados de modo que a segunda parte (20b) da membrana (20) e os ilhotes (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) estejam separados por um afastamento compreendido entre 5 pm e 30 pm, de preferência 10 pm.
6. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelos ilhotes (100, 101, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108) apresentarem uma altura compreendida entre 10 pm e 50 pm e uma largura máxima, na base, compreendida entre 20 pm e 200 pm.
7. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada por compreender ainda um batente superior (60) disposto acima da membrana (20).
8. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo batente superior (60) compreender recessos distribuídos em tomo de seu centro.
9. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo substrato de suporte (10) e o batente inferior (21) serem formados de materiais diferentes.
10. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo substrato de suporte (10) ser feito de vidro e pelo batente inferior (21) e o substrato de suporte (10) feito de vidro estarem conectados por selagem anódica ou por meio de uma ligação molecular ou covalente com ou sem camada intermediária, ou por sinterização ou por brasagem.
11. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo substrato de suporte (10) e o batente inferior (21) serem formados de um único e mesmo material.
12. ESTRUTURA MICROMECÂNICA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo substrato de suporte (10) e o batente inferior (21) serem, cada um, de um material escolhido entre os seguintes materiais: vidro; quartzo; alumina; cerâmica; ligas; Si; SiC; safira.
13. SENSOR DE PRESSÃO DIFERENCIAL, caracterizado por compreender uma estrutura micromecânica, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 12.
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