EP1844296A1 - Condensateur a capacite variable et a forme specifique, gyrometre comportant un tel condensateur et accelerometre comportant un tel condensateur - Google Patents

Condensateur a capacite variable et a forme specifique, gyrometre comportant un tel condensateur et accelerometre comportant un tel condensateur

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EP1844296A1
EP1844296A1 EP06743786A EP06743786A EP1844296A1 EP 1844296 A1 EP1844296 A1 EP 1844296A1 EP 06743786 A EP06743786 A EP 06743786A EP 06743786 A EP06743786 A EP 06743786A EP 1844296 A1 EP1844296 A1 EP 1844296A1
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EP
European Patent Office
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teeth
capacitor
comb
tooth
combs
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06743786A
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German (de)
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Inventor
Jean-Sébastien DANEL
Bernard Diem
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733—Structural details or topology
    • G01C19/5755—Structural details or topology the devices having a single sensing mass
    • G—PHYSICS
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    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5769—Manufacturing; Mounting; Housings
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0802—Details
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    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/125—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by capacitive pick-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
    • H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes

Definitions

  • the present invention relates mainly to a capacitor with variable capacitance, used in particular in miniaturized gyrometers and accelerometers.
  • These devices have an area less than 1 cm 2 and are particularly used in the automotive sector, in particular to increase passenger safety.
  • these devices provide information for triggering the airbags during impacts by detecting a deceleration greater than a predetermined value, or when the vehicle rolls over (roll-over in English terminology), and for help in driving when skidding.
  • These devices are also used in the aeronautical and medical field, and in the manufacture of medical instruments.
  • Capacitors with variable capacitance used in micro-technology comprise two interdigital capacitive combs, one being fixed and the other being mobile, operating either in the so-called air gap variation mode or in the so-called surface variation mode.
  • Each comb has teeth that are interposed with play between the teeth of the other comb.
  • the teeth of each comb are of rectangular shape and interpose between two teeth of the other comb which also delimit a space of rectangular shape.
  • the distance between two directly adjacent teeth is called air gap.
  • the variation in air gap operation consists in measuring the variation of the gap when the moving comb moves relative to the fixed comb in a direction perpendicular to the teeth.
  • the operation in surface variation consists in measuring the surface variation between a tooth of the fixed comb and a tooth of the mobile comb when one of the combs moves along the axis of the tooth.
  • capacitors with variable capacitance having a small air gap for example between 1.5 microns to 2 microns and a displacement, along the axis of the teeth, important, for example between 5 microns and 10 microns.
  • a relatively uniform capacitor geometry in order to have the greatest homogeneity of the etchings, in particular, in the case of anisotropic plasma etching. Indeed, the engraving of a fine pattern is slower than that of a larger pattern.
  • a capacitor with variable capacitance by surface variation comprising at least a first and a second combs provided with interdigital teeth in which the cross section ends of the teeth of each comb facing the other comb is smaller than the cross section of the connecting end of the comb body.
  • it is sought to have, along the axis of the teeth, a maximum air gap zone and a smallest possible deflection zone, which makes it possible to increase at the end of the comb the value of this deflection relatively to that of the gap, measured along the axis of the comb body, while decreasing the proportion of the wide zone likely to compromise the homogeneity of the etching and posing a problem for its filling by the sacrificial layer.
  • the present invention therefore mainly relates to a capacitor with variable capacitance comprising at least a first and a second interdigitated electrode, formed by combs respectively provided with a main axis body and secondary axis teeth, said teeth being parallel between them and able to have a movement along their secondary axis, the teeth having first ends by which they are connected to the body and second free ends opposite to the first ends facing the other comb characterized in that the cross section of the second free end of the teeth is smaller than that of the first end connected to the comb.
  • the teeth define two by two spaces of complementary shape to that of the teeth of the other comb.
  • the free end of the teeth is delimited by at least two segments.
  • the free ends have the shape of a tip.
  • the free ends of the teeth have the shape of a trapezium, the large base of the trapezium being oriented towards the tooth.
  • the free ends of the teeth are delimited by a first and second segment, non-intersecting, of identical length and symmetrical with respect to a longitudinal axis of the tooth and connected by an infinity of segments delimiting an arc of circle.
  • the air gap separating a transverse end of a tooth of a comb from a directly adjacent transverse end of a tooth of another comb is between 1 ⁇ m and 3 ⁇ m.
  • the distance separating the free end of a tooth from one comb of the other comb in an axial direction of the tooth is advantageously between 3 ⁇ m and 15 ⁇ m.
  • the combs are made of silicon.
  • the combs are made of electrically insulating material covered with an electrically conductive material.
  • said combs are made of quartz or silica.
  • the present invention also relates to a gyrometer comprising a variable capacity capacitor according to the present invention.
  • the present invention also relates to an accelerometer comprising a variable capacity capacitor according to the present invention.
  • the subject of the present invention is also a process for producing a capacitor with variable capacitance according to the present invention, comprising a mobile electrode and a fixed electrode, using a substrate, this method comprising, inter alia, the steps of:
  • connection means also comprises the steps of:
  • the substrate comprises a silicon base layer covered on one side of a silicon oxide layer, itself covered with a silicon layer.
  • SiN isolation patterns may also be made prior to deposition of the sacrificial layer.
  • the moving electrode is released from the substrate by etching the silicon oxide layer.
  • FIG. 1 is a partial perspective view of a capacitor with variable capacity according to the prior art
  • FIG. 2 is a schematic view from above of the first example and a preferred embodiment of a capacitor according to the present invention
  • FIG. 3 is a diagrammatic view from above of a second embodiment of a capacitor according to the present invention
  • FIG. 4 is a schematic view from above of a third exemplary embodiment of a capacitor according to the present invention.
  • FIG. 5 is a table showing the evolution of the value of the axial displacement of the teeth as a function of the value of the angle of the teeth;
  • FIGS. 6a to 6d show steps for producing a capacitor according to the present invention. DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
  • FIG. 1 shows a capacitor with variable capacity of the state of the art used, for example, in miniaturized gyrometers and accelerometers.
  • the capacitor has a first 2 and a second 4 interdigitated combs.
  • the first comb 2 comprises a body 6 with a longitudinal axis Y1 and a plurality of teeth 8.1, 8.2, 8.3..., 8.n (n being the number of teeth) of axis respectively Xl, X2, X3 ..., Xn orthogonal to the axis Yl of the body 6.
  • the second comb 4 comprises a body 7 of longitudinal axis Yl 'and several teeth 9.1, 9.2, 9.3, ...
  • the two combs are substantially of the same structure and all the teeth are identical so we will limit our to the description of two adjacent teeth.
  • the teeth 8.1 and 8.2 have a first axial end 10.1, 10.2, by which they are connected to the body 6 and a second axial end 12.1, 12.2 free to be opposite the body of the other comb.
  • Each tooth is of substantially rectangular shape, bounded transversely by two flanks 14.1, 14.2, and 16.1, 16.2 substantially parallel; the second axial end 12.1, 12.2 is delimited by a segment connecting the first and the second sidewalls 14.1, 14.2, and 16.1, 16.2 respectively and parallel to the axis Yl.
  • Each tooth is connected to the next by a plane bottom 17.1, parallel to the axis Yl and each pair of teeth delimits a space 18.1 of substantially rectangular shape within which a tooth of the other comb is interposed.
  • Flanks 16.1 and 14.2, directly adjacent two teeth are separated by a distance e called gap.
  • the free end 12.1, 12.2 of each tooth is separated from the other comb along the axis of the tooth by a distance d.
  • the present invention solves these problems.
  • a first embodiment of a variable capacity capacitor according to the present invention having a first 102 and second 104 combs.
  • the first comb 102 comprises a body 106 of axis Y1 and teeth 108.1, 108.2, 108.3 ... of axis X1, X2, X3 ... orthogonal to the axis Y1.
  • the second comb comprises a body 107 of axis Yl 'and teeth 109.1, 109.2, 109.3 ... of axis Xl', X2 ', X3' ...
  • the teeth 108.1 and 108.2 are connected to the body 106 respectively by first longitudinal ends 110.1, 110.2 and also have second longitudinal ends 112.1, 112.2 free oriented towards the other comb.
  • the free ends 112.1, 112.2 of the teeth 108.1, 108.2 have a cross section smaller than the cross section of the first ends 110.1, 110.2.
  • the free ends 112.1, 112.2 are in the form of a point 122.1, 122.2 delimited by an isosceles triangle, the base of the triangle being oriented on the side of the body 106. As can be seen in FIG.
  • the second free end 112.1, 112.2 has a cross section smaller than that of the first part, this section is in particular gradually decreasing away from the first end of the tooth.
  • the second free end may have, for example the shape of a tip as in Figure 2, but also a trapezoidal shape ( Figure 3) or rounded ( Figure 4).
  • the teeth are connected in pairs by a bottom 117.1, which is advantageously of complementary shape to the free end of each tooth facing.
  • the bottom is delimited by two concurrent line segments 120.1 and 120.1 'at a point 124.1.
  • the air gap at the end of the tooth is equal to 2e + w, where e is the gap between a tooth of the first comb and a tooth of the second comb , and w being the width of a tooth.
  • the air gap at the end of the tooth is equal to 2e, the thickness of the tooth being zero at the free end of the tooth.
  • the etching is much more homogeneous due to the homogeneity of the dimensions of the gaps.
  • the filling of air gaps is easier during the following steps of making interconnections between different parts of the capacitor.
  • the capacitor according to the present invention is particularly advantageous in the production of integrated gyrometers made in micro-technologies, for which a strong deflection is very interesting.
  • the mass of the gyrometer is set in motion by a sinusoidal excitation signal.
  • a Coriolis force is generated in a direction perpendicular to both the excitation signal and the rotational speed; the output signal is then given by a formula of the type:
  • Such a method of manufacturing said capacitor comprises among others:
  • a substrate 402 is produced comprising a base 404, for example silicon coated on its upper face with an insulating layer 406, for example silicon oxide SiO 2 .
  • the layer 406 is etched at zones 408. Then, a layer of SiN is deposited on the entire surface of the substrate.
  • the SiN layer is removed except in the zones 408 forming anchors.
  • layer 406 is etched again at zones 412 to prepare the connection with the substrate.
  • a layer 419 of silicon is then deposited by epitaxy. Then this layer is etched to form pillars 410 and mobile 419.1 and fixed 419.2 electrodes ( Figure 6a).
  • a sacrificial layer 420 of the PSG type (Phosphorous Silicon Glass in the English terminology) is deposited, for example, by plasma-assisted chemical phase reaction (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition in English terminology). Saxon) on the upper part of the teeth so as to cover the trenches 417.
  • PSG type Phosphorous Silicon Glass in the English terminology
  • SiN insulating units 422 can be made beforehand on the upper part of the electrodes by lithography and etching.
  • the sacrificial layer 420 is structured so as to allow an electrical interconnection 426 between different parts of the capacitor, for example between the teeth of the same comb, or a comb and a resumption of contact, or between a pillar connected to the substrate and a contact made in an insulating zone 422.
  • passages are etched in the sacrificial layer 420 at the abutment pillar 410 and the anchor 408.
  • a layer 424 of polysilicon is deposited on the sacrificial layer 420. This layer 424 is then etched, so as to form the interconnection bridges 426, which will interconnect between them different parts of the device, as previously stated.
  • the sacrificial layer 420 is etched to release the bridges 426.
  • the layer 406 of SiO 2 is also etched so as to suspend the movable electrodes 419.2 relative to the base 404.
  • the Fixed electrode 419.1 remains linked by the layer 406 of SiO 2 to the base 402.
  • the electrodes are made of silicon. However, these may be made of insulating material, for example quartz coated with a conductive material such as Cr-AU, Al, W-Wn-Au or TiW-Au. Deposition of the conductive layer, for example by spraying or evaporation under vacuum, takes place after etching of the teeth in the insulating material (FIG. 6a). The conductive areas to be preserved are then defined, for example by etching after the deposition of a lithography mask. It is also conceivable to deposit the conductive material only on the appropriate areas through a mechanical mask.
  • the present invention applies in particular to gyrometers and accelerometers used in micro technology, particularly in the automotive industry.

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Abstract

La présente invention a principalement pour objet un condensateur à capacité variable comportant au moins deux peignes (102, 104) interdigités munis de dents (108.1, 108.2, 108.3,... 108. n, 109.1, 109.2, 109.3, ...109. n) , la section transversale d'une extrémité d'une dent proche de l'autre peigne est supérieure à la section d'une extrémité éloignée de l'autre peigne. La présente invention s'applique en particulier aux gyromètres et accéléromètres .

Description

CONDENSATEUR A CAPACITE VARIABLE ET A FORME SPECIFIQUE,
GYROMETRE COMPORTANT UN TEL CONDENSATEUR ET ACCELEROMETRE COMPORTANT UN TEL CONDENSATEUR
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTÉRIEUR
La présente invention se rapporte principalement à un condensateur à capacité variable, utilisé en particulier dans les gyromètres et accéléromètres miniaturisés. Ces dispositifs ont une surface inférieure à lcm2 et sont particulièrement utilisés dans le secteur automobile, notamment pour accroître la sécurité des passagers. Par exemple, ces dispositifs fournissent des informations pour le déclenchement des coussins gonflables lors de chocs par détection d'une décélération supérieure à une valeur prédéterminée, ou lorsque le véhicule effectue un tonneau (roll-over en terminologie anglo-saxonne) , et pour l'aide à la conduite lors de dérapage. Ces dispositifs sont également utilisés dans le domaine aéronautique et médical, et dans la fabrication des instruments médicaux.
Les condensateurs à capacité variable utilisés en micro-technologie comportent deux peignes capacitifs interdigités, l'un étant fixe et l'autre étant mobile, fonctionnant soit selon le mode dit à variation d'entrefer, soit selon le mode dit à variation de surface.
Chaque peigne comporte des dents qui sont interposées avec jeu entre les dents de l'autre peigne.
Les dents de chaque peigne sont de forme rectangulaire et s'interposent entre deux dents de l'autre peigne qui délimitent également un espace de forme rectangulaire. La distance séparant deux dents directement adjacentes est appelée entrefer. Le fonctionnement en variation d'entrefer consiste à mesurer la variation de l'entrefer lorsque le peigne mobile se déplace par rapport au peigne fixe dans une direction perpendiculaire aux dents.
Le fonctionnement en variation de surface consiste à mesurer la variation de surface en regard entre une dent du peigne fixe et une dent du peigne mobile lorsque l'un des peignes se déplace selon l'axe de la dent .
Il apparaît que dans le cas où l'on souhaite réaliser un actionneur pour produire de grands déplacements ou un capacimètre apte à mesurer de grands déplacements, le fonctionnement dit à variation de surface est le plus indiqué, car le déplacement possible du peigne mobile par rapport au peigne fixe n'est pas limité par la dimension de l'entrefer (qui doit rester de préférence petit) . Ce qui n'est pas le cas pour le fonctionnement dit à variation d'entrefer.
On souhaite alors réaliser des condensateurs à capacité variable ayant un faible entrefer par exemple compris entre 1,5 μm à 2 μm et un déplacement, selon l'axe des dents, important compris par exemple entre 5 μm et 10 μm. Or le fait de vouloir réaliser des condensateurs à capacité variable dont l'entrefer est faible et le débattement selon l'axe des dents est important, pose des problèmes de fabrication. D'une part, il est souhaitable d'avoir une géométrie du condensateur relativement uniforme afin d'avoir la plus grande homogénéité des gravures, en particulier, dans le cas de la gravure par plasma anisotrope. En effet, la gravure d'un motif fin est plus lente que celle d'un motif plus large. Ainsi dans le cas où l'entrefer et la distance de débattement sont de valeurs très différentes, il peut y avoir une inhomogénéité dans la gravure. D'autre part, les technologies actuelles nécessitent de créer un niveau d' interconnexions entre différentes parties du condensateur : pour cela on dépose sur les structures gravées une couche sacrificielle qui doit complètement recouvrir les peignes et donc en particulier remplir les espaces entre les peignes. Ensuite on réalise les structure d'interconnexions et on grave la couche sacrificielle, de manière à séparer les ponts d' interconnexions désirés de la surface des peignes . Or il est très délicat de combler correctement des entrefers larges.
C'est donc un but de la présente invention d'offrir un condensateur à capacité variable permettant de grands déplacements .
C'est également un but de la présente invention d'offrir un condensateur à capacité variable de réalisation fiable.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
Ces buts sont atteints par un condensateur à capacité variable par variation de surface comportant au moins un premier et un deuxième peignes munis de dents interdigitées dans lequel la section transversale des extrémités des dents de chaque peigne orientées vers l'autre peigne est plus faible que la section transversale de l'extrémité de raccordement au corps du peigne . En d'autres termes, on recherche à avoir, selon l'axe des dents une zone d'entrefer maximale et une zone de débattement la plus réduite possible, ce qui permet d'augmenter en bout de peigne la valeur de ce débattement relativement à celle de l'entrefer, mesuré suivant l'axe du corps du peigne, tout en diminuant la proportion de la zone large susceptible de compromettre l'homogénéité de la gravure et posant problème pour son comblement par la couche sacrificielle. La présente invention a alors principalement pour objet un condensateur à capacité variable comportant au moins une première et une deuxième électrodes interdigitées, formées par des peignes munis respectivement d'un corps d'axe principal et de dents d'axes secondaires, lesdites dents étant parallèles entre elles et aptes à avoir un mouvement selon leur axe secondaire, les dents comportant des premières extrémités par laquelle elles sont raccordées au corps et des deuxièmes extrémités libres opposées aux premières extrémités en regard de l'autre peigne caractérisé en ce que la section transversale de la deuxième extrémité libre des dents est inférieure à celle de la première extrémité raccordée au peigne.
De manière avantageuse, les dents définissent deux à deux des espaces de forme complémentaire à celle des dents de l'autre peigne. Dans un mode de réalisation, l'extrémité libre des dents est délimitée par aux moins deux segments .
Dans un premier exemple de réalisation, les extrémités libres ont la forme d'une pointe.
Dans un deuxième exemple de réalisation, les extrémités libres des dents ont la forme d'un trapèze, la grande base du trapèze étant orientée du côté de la dent . Dans un troisième exemple de réalisation, les extrémités libres des dents sont délimitées par un premier et deuxième segments, non sécants, de longueur identique et symétriques par rapport à un axe longitudinal de la dent et se raccordant par une infinité de segments délimitant un arc de cercle.
De manière avantageuse, l'entrefer séparant une extrémité transversale d'une dent d'un peigne d'une extrémité transversale directement adjacente d'une dent d'un autre peigne est compris entre 1 μm et 3 μm. La distance séparant l'extrémité libre d'une dent d'un peigne de l'autre peigne suivant une direction axiale de la dent est avantageusement comprise entre 3 μm et 15 μm.
Dans un mode de réalisation, les peignes sont en silicium.
Dans un autre mode de réalisation, les peignes sont fabriqués en matériau isolant électriquement recouvert d'un matériau électriquement conducteur. Avantageusement, lesdits peignes sont fabriqués en quartz ou en silice. La présente invention a également pour objet un gyromètre comportant un condensateur à capacité variable selon la présente invention.
La présente invention a également pour objet un accéléromètre comportant un condensateur à capacité variable selon la présente invention.
La présente invention également pour objet un procédé de réalisation d'un condensateur à capacité variable selon la présente invention, comportant une électrode mobile et une électrode fixe, à l'aide d'un substrat, ce procédé comportant entres autres les étapes de :
- gravure du substrat pour former des dents des électrodes, les dents étant séparées par des tranchées, les dents ayant une section transversale variable ;
- formation de moyens de connexion des électrodes .
En particulier, la formation des moyens de connexions comportent également les étapes de :
- de dépôt et de structuration d'une couche sacrificielle, préférentiellement en PSG ;
- de réalisation d'interconnexions, avantageusement en poly-silicium ; - de réalisation d' interconnexions sur la couche sacrificielle entre les électrodes et les zones à relier électriquement ;
- de gravure du substrat et de la couche sacrificielle de manière à libérer l'électrode mobile. De manière avantageuse, le substrat comporte une couche de base en silicium recouverte sur une face d'une couche d'oxyde de silicium, elle-même recouverte d'une couche de silicium.
Des motifs d' isolation en SiN peuvent également être réalisés préalablement au dépôt de la couche sacrificielle.
De façon avantageuse, l'électrode mobile est libérée du substrat par gravure de la couche d'oxyde de silicium .
La présente invention sera mieux comprise avec la description qui va suivre et les dessins en annexe .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
- La figure 1 est une vue partielle en perspective d'un condensateur à capacité variable selon l'art antérieur ;
- la figure 2 est une vue schématique de dessus du premier exemple et exemple préféré de réalisation d'un condensateur selon la présente invention ; - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'un deuxième exemple de réalisation d'un condensateur selon la présente invention ;
- la figure 4 est une vue schématique de dessus d'un troisième exemple de réalisation d'un condensateur selon la présente invention ;
- la figure 5 est un tableau montrant l'évolution de la valeur du débattement axial des dents en fonction de la valeur de l'angle des dents ;
- les figures 6à à 6d représentent des étapes de réalisation d'un condensateur selon la présente invention. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Sur la figure 1, on peut voir un condensateur à capacité variable de l'état de la technique utilisé par exemple dans les gyromètres et accéléromètres miniaturisés. Le condensateur comporte un premier 2 et un deuxième 4 peignes interdigités . Le premier peigne 2 comporte un corps 6 d'axe longitudinal Yl et plusieurs dents 8.1, 8.2, 8.3..., 8.n (n étant le nombre de dents) d'axe respectivement Xl, X2, X3..., Xn orthogonaux à l'axe Yl du corps 6. Le deuxième peigne 4 comporte un corps 7 d'axe longitudinal Yl' et plusieurs dents 9.1, 9.2, 9.3, ...9.n d'axe respectivement Xl', X2',X3', ...Xn'. Les deux peignes sont sensiblement de même structure et toutes les dents sont identiques ainsi nous nous limiterons à la description de deux dents adjacentes. Les dents 8.1 et 8.2 comportent une première extrémité axiale 10.1, 10.2, par laquelle elles se raccordent au corps 6 et une deuxième extrémité axiale 12.1, 12.2 libre destinée à être en regard du corps de l'autre peigne. Chaque dent est de forme sensiblement rectangulaire, délimitée transversalement par deux flancs 14.1, 14.2, et 16.1, 16.2 sensiblement parallèles ; la deuxième extrémité axiale 12.1, 12.2 est délimitée par un segment raccordant le premier et le deuxième flancs 14.1, 14.2, et 16.1, 16.2 respectivement et parallèle à l'axe Yl.
Chaque dent est raccordée à la suivante par un fond plan 17.1, parallèle à l'axe Yl et chaque paire de dents délimite un espace 18.1 de forme sensiblement rectangulaire à l'intérieur duquel une dent de l'autre peigne vient s'interposer. Les flancs 16.1 et 14.2, directement adjacents de deux dents sont séparés d'un distance e appelée entrefer. L'extrémité libre 12.1, 12.2, de chaque dent est séparée de l'autre peigne selon l'axe de la dent d'une distance d.
Il est souhaitable d'avoir un entrefer e fin et une distance d importante. Or la gravure de tels condensateurs est complexe du fait de l' inhomogénéité de leur structure et le remplissage complet des espaces entres les peignes par une couche sacrificielle comme décrite plus haut n'est pas sûr.
La présente invention résout ces problèmes. Sur la figure 2, on peut voir un premier exemple de réalisation d'un condensateur à capacité variable selon la présente invention comportant un premier 102 et deuxième 104 peignes. Le premier peigne 102 comporte un corps 106 d'axe Yl et des dents 108.1, 108.2, 108.3... d'axe Xl, X2 , X3... orthogonaux à l'axe Yl. Le deuxième peigne comporte un corps 107 d'axe Yl' et des dents 109.1, 109.2, 109.3... d'axe Xl', X2 ' , X3 ' ... Comme pour le condensateur de l'état de la technique nous nous limiterons à la description de deux dents du premier peigne 2. Les dents 108.1 et 108.2 se raccordent au corps 106 respectivement par des premières extrémités longitudinales 110.1, 110.2 et comportent également des deuxièmes extrémités longitudinales 112.1, 112.2 libres orientées vers l'autre peigne. Selon la présente invention, les extrémités libres 112.1, 112.2 des dents 108.1, 108.2 ont une section transversale inférieure à la section transversale des premières extrémités 110.1, 110.2. Dans l'exemple représenté, les extrémités libres 112.1, 112.2 sont en forme de pointe 122.1, 122.2 délimitée par un triangle isocèle, la base du triangle étant orientée du côté du corps 106. Comme on peut le voir sur la figure 1, Les dents 108.1, 108.2 comportent une première partie raccordée au corps du peigne 106 ayant une section transversale sensiblement constante, par exemple de forme rectangulaire. La deuxième extrémité libre 112.1, 112.2 a une section transversale inférieure à celle de la première partie, cette section est notamment décroissante de manière progressive en éloignement de la première extrémité de la dent . Ainsi la deuxième extrémité libre peut avoir, par exemple la forme d'une pointe comme sur la figure 2, mais également un forme trapézoïdale (figure 3) ou arrondie (figure 4) .
Les dents se raccordent deux à deux par un fond 117.1, qui est de manière avantageuse de forme complémentaire à l'extrémité libre de chaque dent en regard. Dans l'exemple représenté en figure 2, le fond est délimité par deux segments de droite concourants 120.1 et 120.1' en un point 124.1.
Par conséquent, le débattement selon l'axe des dents est limité par la distance d séparant la pointé 122.1, et le point 124.1.
Sur la figure 5, on peut voir un tableau montrant l'évolution de d en fonction de l'angle α au sommet de la pointe 112.1 pour une valeur d'entrefer e = 2 μm. II apparaît que plus l'angle α est aigu, plus d est grand. Ainsi grâce à la présente invention, il est possible de conserver en bout de dent un entrefer fin, tout en autorisant un important débattement selon l'axe des dents. En effet, dans les condensateurs à capacité variable de type connu ayant des dents à section rectangulaire, l'entrefer en bout de dent est égal à 2e + w, e étant l'entrefer entre une dent du premier peigne et une dent du deuxième peigne, et w étant la largeur d'une dent. Selon la présente invention, dans le cas de dents à pointe triangulaire, l'entrefer en bout de dent est égal à 2e, l'épaisseur de la dent étant nulle à l'extrémité libre de la dent.
Sur la figure 3, on peut voir un deuxième exemple de réalisation dans lequel les extrémités libres 212.1, 212.2 des dents ont une forme de trapèze, comportant une grande base 226.1, 226.2 orientée vers le corps du peigne. Les fonds raccordant les dents deux par deux sont avantageusement de forme complémentaire.
Sur la figure 4, on peut voir un troisième exemple de réalisation dans lequel les extrémités libres 312.1, 312.2 des dents sont également délimitées par un triangle isocèle, cependant l'angle au sommet est remplacé par un arc de cercle 328.1, 328.2. Les fonds raccordant les dents deux par deux sont avantageusement de forme complémentaire.
Il est bien entendu qu'un condensateur dont les espaces délimités par deux dents ne sont pas de forme complémentaire aux dents qu'ils reçoivent ne sort pas du cadre de la présente invention. II est également bien entendu qu'un condensateur dont les peignes comportent des dents munies de plusieurs pointes ne sort pas du cadre de la présente invention.
Grâce à la forme du condensateur capacitif selon la présente invention, la gravure est beaucoup plus homogène du fait de l'homogénéité des dimensions des entrefers. De plus, du fait des entrefers de faibles dimensions, le rebouchage des entrefers est plus aisé lors des étapes suivantes de réalisation des interconnexions entre différentes parties du condensateur.
Le condensateur selon .la présente invention est particulièrement avantageux dans la réalisation de gyromètres intégrés réalisés en micro-technologies, pour lesquelles un fort débattement est très intéressant.
Dans le cas où l'on désire mesurer à l'aide du gyromètre une vitesse de rotation angulaire, la masse du gyromètre est mise en mouvement par un signal d'excitation sinusoïdal. Sous l'action de la vitesse de rotation, une force de Coriolis est générée selon une direction perpendiculaire à la fois au signal d'excitation et à la vitesse de rotation ; le signal de sortie est alors donné par une formule du type :
S = 2 m.Ω.ωd.d m représentant la masse de tout ou partie de la structure, Ω étant la vitesse angulaire d'entrée à mesurer, coa représentant la pulsation du signal d'excitation, d étant l'amplitude de l'excitation.
Il apparaît donc que pour avoir un signal de sortie de valeur importante, il est souhaitable d'avoir une valeur d'amplitude d'excitation élevée. Typiquement on cherche actuellement à obtenir des valeurs d'amplitude de déplacement au moins égales à 5 μm, de manière avantageuse égale à 10 μm pour obtenir des gyromètres offrant de bonnes performances . Ces valeurs de débattement sont possibles avec le condensateur selon la présente invention (figure 5) , par exemple pour un angle α compris entre 40° et 10° ou entre 30° et 20° .
Nous allons maintenant décrire un exemple d'un procédé de fabrication d'un condensateur à capacité variable.
Un tel procédé de fabrication dudit condensateur comporte entre autres :
- une étape de gravure de peignes dans un substrat, les peignes ayant une forme selon la présente invention,
- la réalisation de moyens d' interconnexion.
Un exemple détaillé du procédé va maintenant être décrit.
Dans une première étape, on réalise un substrat 402 comportant une base 404, par exemple en silicium recouverte sur sa face supérieure d'une couche d'isolant 406, par exemple de l'oxyde de silicium SiO2. Dans une deuxième étape, la couche 406 est gravée au niveau de zones 408. Puis une couche de SiN est déposée sur toute la surface du substrat.
Ensuite par planarisation, la couche de SiN est supprimée sauf dans les zones 408 formant des ancrages. Dans une étape ultérieure, la couche 406 est de nouveau gravée au niveau de zones 412 afin de préparer la connexion avec le substrat .
Une couche 419 de silicium est ensuite déposée par épitaxie. Puis cette couche est gravée de manière à former des piliers 410 et des électrodes mobile 419.1 et fixe 419.2 (figure 6a).
Dans une étape supplémentaire (figure 6b) , une couche sacrificielle 420 type PSG (Phosphorous Silicium Glass en terminologie anglo-saxonne) est déposée par exemple par réaction chimique en phase gazeuse assistée par plasma (PRECVD : Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition en terminologie anglo- saxonne) sur la partie supérieure des dents de manière à recouvrir les tranchées 417. Avantageusement, on peut réaliser au préalable des motifs d'isolation SiN 422 sur la partie supérieure des électrodes par lithographie et gravure.
Ensuite, la couche sacrificielle 420 est structurée de manière à permettre une interconnexion électrique 426, entre différentes parties du condensateur, par exemple soit entre les dents d'un même peigne, soit un peigne et une reprise de contact, soit entre un pilier relié au substrat et un contact réalisé dans une zone isolante 422. Dans l'exemple représenté, des passages sont gravés dans la couche sacrificielle 420 au niveau du pilier d'appui 410 et de l'ancrage 408.
Dans une étape suivante (figure 6c) , on effectue un dépôt d'une couche 424 de poly-silicium sur la couche sacrificielle 420. Cette couche 424 est ensuite gravée, de manière à former les ponts d'interconnexion 426, qui permettront d'interconnecter entre elles différentes parties du dispositif, telles qu' énoncées précédemment . Enfin dans un quatrième étape (figure βd) , la couche sacrificielle 420 est gravée de manière à libérer les ponts 426. La couche 406 de SiO2 est également gravée de manière à suspendre les électrodes mobiles 419.2 par rapport à la base 404. L'électrode fixe 419.1 reste quant à elle liée par la couche 406 de SiO2 à la base 402.
Dans l'exemple représenté, les électrodes sont réalisées en silicium. Cependant, celles-ci peuvent être réalisées en matériau isolant, par exemple du quartz recouvert d'un matériau conducteur tel que Cr-AU, Al, W-Wn-Au ou TiW-Au. Le dépôt de la couche conductrice, par exemple par pulvérisation ou évaporation sous vide, a lieu après la gravure des dents dans le matériau isolant (figure 6a) . Les zones conductrices à préserver sont ensuite définies, par exemple par gravure après le dépôt d'un masque de lithographie. Il est également envisageable de déposer le matériau conducteur uniquement sur les zones appropriées à travers un masque mécanique . La présente invention s'applique en particulier aux gyromètres et aux accéléromètres utilisés dans la micro technologie, notamment dans l'industrie automobile.

Claims

REVENDICATIONS
1. Condensateur à capacité variable comportant au moins une première (102) et une deuxième électrodes (104) interdigitées, formées par des peignes, lesdits peignes (102, 104) étant munis respectivement d'un corps (106, 107) d'axe principal
(Yl, Yl') et de dents (108.1, 108.2, 108.3, ...108.n,
109.1, 109.2, 109.3, ...109.n) d'axes secondaires (Xl, X2, X3, ...Xn, Xl', X2 ' , X3 ' , ...Xn') respectivement, lesdites dents (108.1, 108.2, 108.3, ...108. n, 109.1,
109.2, 109.3, ...109. n) étant parallèles entre elles et aptes à avoir un mouvement selon leur axe secondaire (Xl, X2, X3, ...Xn, Xl', X2', X3 ' , ...Xn'), les dents comportant des premières extrémités (110.1, 110.2) par lesquelles elles sont raccordées au corps (106) et des deuxièmes extrémités libres (112.1, 112.2) opposées aux premières extrémités (110.1, 110.2) en regard de l'autre peigne, lesdits doigts comportant une première partie du côté de la première extrémité à section sensiblement constante et la deuxième extrémité libre (112.1, 112.2) des dents ayant une section transversale inférieure à celle de la première partie (110.1, 110.2) raccordée au peigne, ladite section transversale de la deuxième extrémité étant décroissante progressivement en éloignement de la première extrémité (110.1, 110.2), les dents (108.1, 108.2, 108.3, ...108.n, 109.1, 109.2,
109.3, ...109.n) définissant deux à deux des espaces de forme complémentaire à celle des dents (108.1, 108.2, 108.3, ...108. n, 109.1, 109.2, 109.3, ...109. n) de l'autre peigne . 2. Condensateur selon la revendication 1, dans lequel l'extrémité libre (112.1, 112.
2) des dents est délimitée par aux moins deux segments.
3. Condensateur selon la revendication précédente dans lequel les extrémités libres (112.1, 112.2) ont la forme d'une pointe (122.1, 112.2) .
4. Condensateur selon la revendication 2 dans lequel les extrémités libres (212.1, 212.2) des dents ont la forme d'un trapèze, la grande base
(226.1, 226.2) du trapèze étant orientée du côté de la dent .
5. Condensateur selon la revendication 2 dans lequel les extrémités libres (312.1, 312.2) des dents sont délimitées par un premier et deuxième segments, non sécants, de longueur identique et symétriques par rapport à un axe longitudinal de la dent et se raccordant par une infinité de segments formant un arc de cercle.
6. Condensateur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'entrefer (e) séparant une extrémité transversale d'une dent d'un peigne d'une extrémité transversale directement adjacente d'une dent d'un autre peigne est compris entre 1 μm et 3 μm.
7. Condensateur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la distance (d) séparant l'extrémité libre d'une dent d'un peigne (102, 104) de l'autre peigne (104, 102) suivant une direction axiale de la dent est comprise entre 3 μm et 15 μm.
8. Condensateur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les peignes (102, 104) sont en silicium.
9. Condensateur selon l'une de revendications 1 à 7, dans lequel les peignes (102, 104) sont fabriqués en matériau isolant électriquement recouvert d'un matériau électriquement conducteur.
10. Condensateur selon la revendication précédente, dans lequel les peignes (102, 104) sont fabriqués en quartz ou en silice.
11. Gyromètre comportant un condensateur à capacité variable selon l'une des revendications précédentes .
12. Accéléromètre comportant un condensateur à capacité variable selon l'une des revendications 1 à 10.
13. Procédé de réalisation d'un condensateur à capacité variable selon l'une des revendications 1 à 10, comportant une électrode mobile et une électrode fixe, à l'aide d'un substrat (402), ce procédé comportant entre autres les étapes de :
- gravure du substrat pour former des dents (419) des électrodes, les dents (419) étant séparées par des tranchées (417) , les dents ayant une section transversale variable,
- formation de moyens de connexion des électrodes .
14. Procédé selon la revendication 13 dans lequel le substrat comporte une couche de base en silicium (404) recouverte sur une face d'une couche d'oxyde de silicium (406), elle-même recouverte d'une couche de silicium.
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, dans lequel la formation des moyens de connexions comportent également les étapes de :
- de dépôt et de structuration d'une couche sacrificielle (420) ;
- de réalisation d'interconnexions (426) sur la couche sacrificielle (420) entre les électrodes et les zones à relier électriquement ;
- de gravure du substrat et de la couche sacrificielle de manière à libérer l'électrode mobile
(419.2) .
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la couche sacrificielle (420) est en PSG.
17. Procédé selon l'une des revendications 15 ou 16 dans lequel des motifs d' isolation en SiN (422) sont réalisés préalablement au dépôt de la couche sacrificielle (420) .
18. Procédé selon l'une des revendications 15 à 17, dans lequel les interconnexions (426) sont réalisées en poly-silicium.
19. Procédé selon des revendications 15 à
18 en combinaison avec la revendication 15, dans lequel l'électrode mobile (419.2) est libérée du substrat par gravure de la couche d'oxyde de silicium (406) .
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