FR2559899A1

FR2559899A1 - Detecteur de pression capacitif

Info

Publication number: FR2559899A1
Application number: FR8502193A
Authority: FR
Inventors: Heikki Kuisma
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1985-02-15
Publication date: 1985-08-23
Also published as: BR8500738A; GB8504078D0; GB2154747B; FI840700A0; US4594639A; DE3505924C2; FI69211C; IT8512436A0; FR2559899B1; DE3505924A1; GB2154747A; IT1186831B; JPS60195830A; NL8500465A; FI69211B

Abstract

LA PRESENTE INVENTION SE RAPPORTE A UN DETECTEUR DE PRESSION CAPACITIF DU TYPE COMPRENANT UN SOCLE EN FORME DE PLAQUETTE 13, UNE PLAQUE DE CONDENSATEUR FIXE 14 DISPOSEE SUR LE SOCLE ET UNE CAPSULE ANEROIDE 6 PLACEE EN LIAISON AVEC LE SOCLE ET COMPORTANT UNE ZONE 8 POURVUE D'UNE PLAQUE DE CONDENSATEUR MOBILE QUI FAIT FACE A LA PLAQUE DE CONDENSATEUR FIXE 14 ET DONT LA DISTANCE VIS-A-VIS DE CETTE DERNIERE VARIE EN FONCTION DE LA PRESSION. SUR LE SOCLE EN FORME DE PLAQUETTE 13, EST DISPOSEE UNE PLAQUETTE DE SILICIUM 5 DANS LAQUELLE EST FORMEE UNE PARTIE CENTRALE 8 DEFINISSANT UNE MEMBRANE QUI CONSTITUE LA PLAQUE DE CONDENSATEUR MOBILE. SUR LA PLAQUETTE DE SILICIUM 5, EST DISPOSE HERMETIQUEMENT UN ELEMENT DE RECOUVREMENT 12 QUI DELIMITE AVEC LADITE PARTIE CENTRALE 8 UNE CAVITE INTERIEURE 6 DE LA CAPSULE ANEROIDE. LA MEMBRANE 8 EST REUNIE A LA PARTIE DE BORD DE LA PLAQUETTE DE SILICIUM 5 PAR UN COL 11 AYANT UNE PAROI RELATIVEMENT MINCE ET S'ETENDANT DU BORD DE LA MEMBRANE 8 JUSQU'AU VOISINAGE DE LA FACE INTERIEURE DE L'ELEMENT DE RECOUVREMENT 12.

Description

Détecteur de pression capacitif La présente invention se rapporte à un

détecteur de pression capacitif du type comprenant un socle en forme de plaquette, une plaque de condensateur fixe disposée sur le socle et une capsule anéroúde placée en liaison avec le socle et comportant une zone pourvue d'une plaque de condensateur mobile qui fait face à la plaque de condensateur fixe et dont

la distance vis-à-vis de cette dernière varie en fonction de la pression.

Avant toutes choses, on se référera, pour avoir connaissance de l'état antérieur de la technique, aux publications suivantes: 1) Brevet américain n 4 386 543 (Giachino et al.) 2) Brevet américain n 4 257 274 (Shimada et al.) 3) Brevet américain n 4 332 000 (Petersen) 4) Brevet américain n 4 390 925 (Freud) 5) Brevet américain n 3 397 278 (Pomerantz) 6) K.E. Bean, "IAnisotropic Etching of Silicon", IEEE Transactions on Electron

Devices, Vol. ED-25 (1978) n 10, P. 1185-93.

Comme on le sait, on peut fabriquer des détecteurs de pression

capacitifs miniaturisés à partir de silicium et de verre (voir les publica-

tions 1 à 4 susmentionnées). On confectionne ces détecteurs de l'état

antérieur de la technique en donnant une forme voulue au silicium par micro-

lithographie, en l'usinant par décapage et en le réunissant aux pièces en verre par mise en oeuvre d'un procédé électrostatique (voir la publication susmentionnée). On utilise le plus souvent du verre de borosilicate faiblement alcalin dans les détecteurs (par exemple, le "Pyrex" type 7740 de Corning Glass). Ce verre est tout à fait approprié, car la présence d'ions de métaux

alcalinsest une condition requise pour la formation d'un joint électro-

statique, et son coefficient de dilatation thermique est très proche de celui du silicium. A la température ambiante, le coeffient du verre est de 3,25 ppm/ C et celui de silicium de 2,5 ppm/ C. Aux températures élevées,

le coefficient de dilatation thermique du silicium augmente de façon non-

linéaire et devient supérieur à celui du verre. Cette différence entre les coefficients de dilatation thermique est le plus important des facteurs qui affectent le comportement vis-à-vis de la température d'un détecteur de pression. La figure 1 est une représentation schématique d'un détecteur de pression soumis à l'influence des variations de température. Une pièce de silicium 2, présentant une zone amincie 3 qui forme une membrane sensible à la pression, est fixée sur une plaquette de verre 1. Une différence de pression provoque une déflexion de la membrane 3 et modifie la distance que la sépare d'une plaque de condensateur fixe 4 reposant sur la plaquette de verre 1, ainsi que la capacité électrique définie entre elles. Dès lors, si la température s'élève et que la différence de pression reste constante,

la membrane 3 est soumise, dans un plan horizontal, à une contrainte de trac-

tion qui résulte de la difference entre les coefficients de dilatation ther-

mique. Cette contrainte tend à réduire-l'amplitude de la déflexion provoquée par la différence de pression. Si en l'absence de cette contrainte de traction, la sensibilité à la pression de la déflexion de la membrane est S, elle sera, lors de l'application de la contrainte de traction: s

S =

o 1+K(a/h) 2E a étant la longueur du côté d'une membrane carrée ou le diamètre d'une membrane circulaire, h l'épaisseur de la membrane,E l'allongement et K un coefficient qui

est égal à 0,27 pour une membrane carrée et à 0,2 pour une membrane circulaire.

Si l'allongement est une fonction de la température, le coefficient de variation en température de la sensibilité de la membrane sera: 1 as K(a/h) (as/aT) S UT 1 + K(a/h)2s

Dans cette études on n'a pas tenu compte de la dépendance vis-

à-vis de la température des coefficients d'élasticité car, dans le cas du

silicium, ils sont très faibles.

Le but de la présente invention est la réalisation d'un détecteur de pression dans lequel il soit possible d'éliminer l'influence des différences

de dilatation thermique.

L'invention repose sur les principes suivants: - le détecteur de pression comprend deux pièces en verre entre lesquelles est disposée une membrane élastique de silicium; - la membrane de silicium est positionnée à proximité de l'une des pièces en verre et tout près d'une plaque de condensateur constituée par un film métallique déposé sur la surface de cette pièce en verre; - toutefois, la membrane de silicium n'est pas, au niveau de ses bords, en contact mécanique direct avec ladite pièce en verre, mais se trouve à l'extrémité d'un col ou d'un élément tubulaire en silicium, présentant la forme d'un cône, d'un cylindre ou une autre forme; - la seconde extrémité de l'élément tubulaire est fixée à la seconde pièce en verre; - les pièces en verre sont réunies l'une à l'autre et sontmaintenues à une distance mutuelle déterminée par une pièce de support en silicium; - la pièce de support, le col ou l'élément tubulaire et la membrane élastique sont formés dans une seule et même pièce de silicium pour qu'une précision dimensionnelle suffisamment bonne soit

obtenue pour la lame d'air délimitée par les plaques du conden-

sateur sensible à la pression;

Plus précisément, le détecteur de pression conforme à l'in-

vention se caractérise en ce que: - sur le socle en forme de plaquette, est disposée une plaquette

de silicium dans laquelle est formée une partie centrale dé-

finissant une membrane qui constitue la plaque de condensateur mobile; sur la plaquette de silicium, est disposé hermétiquement un élément de recouvrement,de préférence en forme de plaquette, qui délimite avec ladite partie centrale de la plaquette de silicium, une cavité intérieure en forme de cuvette de la capsule anéroïde; et - la partie centrale de la plaquette de silicium qui définit la membrane, est réunie à la partie de bord de la plaquette de silicium par un col ou un élément tubulaire ayant une paroi relativement mince et s'étendant du bord de la partie centrale

jusqu'au voisinage de la face intérieure de l'élément de re-

couvrement,la partie centrale et le col ou l'élément tubulaire étant réalisés en une seule pièce avec la partie de bord de la plaquette de silicium, tandis que la partie de bord de la pla- quette de silicium et le col ou l'élément tubulaire délimitent entre eux une gorge,au moins sensiblement en forme de V, qui

entoure la cavité intérieure de la capsule anéroïde.

On peut considérer que l'avantage le plus important de la struc-

ture de ce détecteur de pression est qu'elle supprime l'effet de l'état de tension, engendré par la différence entre les coefficients de dilatation

thermique du silicium et du verre, sur les propriétés de la membrane de sili-

cium sensible à la pression.

L'invention va être décrite plus en détails dans ce qui suit,

à l'aide d'un mode de réalisation exemplifié, sans aucun caractère limita-

tif, en référence aux figures 2 à 4 des dessins annexés sur lesquels: - la figure 2 est une vue latérale schématique en coupe de ce mode de réalisation du détecteur conforme à l'invention; - la figure 3 représente des demi-vues de dessous en coupe du détecteur de la figure 2, effectuées respectivement suivant les lignes A-A

et B-B.

- la figure 4 illustre, au moyen d'un ensemble de courbes norma-

lisées, le transfert de la déformation d'une extrémité du col conique à l'autre. Si on ne souhaite pas que la différence entre les coefficients de dilatation thermique affecte la sensibilité du détecteur, la membrane

de celui-ci doit être isolée pour ne pas être soumise à des forces d'extension.

Les figures 2 et 3 représentent un détecteur de pression conforme à l'inven-

tion dans lequel les forces horizontales agissant sur la membrane sont élimi-

nées.

La plaquette de silicium 5 a été traitée au moyen des procédés de l'état antérieur de la technique (voir la publication 6 susmentionnée) de telle façon qu'un évidement 6 en forme de cuvette soit ménagé dans l'une

de ses faces. Un renfoncement 7 a été usiné dans l'autre face de la plaquet-

te de silicium 5. La membrane 8 sensible à la pression est formée entre le

fond de l'évidement 6 et celui du renfoncement 7. La membrane 8 ( et le ren-

foncement 7) est entourée d'une gorge fermée 10 présentant une section en V. La paroi séparant la gorge 10 de l'évidement 6 forme un col conique 11 dont l'une des extrémités est solidaire de la plaquette de silicium 5 et dont la seconde extrémité est fermée par la membrane 8 sensible à la pression. L'évidement 6 est recouvert d'une plaquette de verre 12 qui est fixée sous vide à la plaquette de silicium 5 afin que l'évidement 6 soit hermétiquement obturé pour former une capsule anéroIde. En variante, la plaquette de verre 12 peut être percée d'un trou à travers lequel une pression de référence est établie dans la cavité 6. Une seconde plaquette de verre 13 est fixée sur l'autre face de la plaquette de silicium 5, cette plaquette de verre 13 portant une plaque de condensateur fixe 14 constituée par un mince film métallique.

Quand la température croît, une contrainte de traction se dévelop-

pe, dans un plan horizontal, sur les faces de la plaquette de silicium 5.

Cette contrainte provoque une déformation de l'extrémité du col conique 11, située en face de la plaquette de verre 12. Si les dimensions du col 11 sont judicieusement choisies, la déformation n'est pas transmise ou n'est que légèrement transmise à l'extrémité du col sur laquelle se trouve la

membrane 8 sensible à la pression. De cette façon, l'influence de la tempéra-

ture sur la déflexion de la membrane 8 est éliminée ou réduite.

Sur la figure 4, conformément à ce qui a été indiqué plus haut, le transfert de la déformation d'une extrémité à l'autre du col conique est illustré par un ensemble de courbes normalisées. L'axe des abscisses représente l'axe longitudinal du tube 11. La distance séparant les extrémités du col 11 a été arbitrairement réduite à une unité. L'axe des ordonnées repésente la déformation du col que l'on fixe égale à une unité au niveau

de l'extrémité o elle se forme. La courbe 15 se rapporte à un col relative-

ment court, la courbe 16 à un col plus long et la courbe 17 à un col encore plus long. Dans le cas d'un col court, la déformation perpendiculaire à l'axe a été réduite. Dans le cas d'un col moyennement long, elle est ramenée à zéro, mais une tension est engendrée au niveau de l'extrémité du col;

la dérivée de la déformation n'est pas nulle. Enfin, avec un col suffisam-

ment long, la déformation aussi bien que sa dérivée se rapprochent de zéro.

Dans ce dernier cas, la seconde extrémité du col est totalement isolée vis-

à-vis de toute déformation apparaissant sur la première extrémité du col.

De préférence, la profondeur de la cavité 6 représente au moins

% du diamètre du fond de la cavité 6.

Les dimensions du mode de réalisation représenté sur les figures 2 et 3 sont les suivantes(plages de dimensions courantes entre parenthèse: Plaquettes de verre 12 et 13 largeur et longueur: 7 mm (5 à 10 mm) épaisseur: 1 mm (0,5 à 1,5 mm) Plaquette de silicium 5: épaisseur de la plaquette: 0,7 mm (0,2 à 1,5 mm) épaisseur de la membrane: 5 à 50//m épaisseur du col: 50 à 200/m Plaque de condensateur fixe 14: épaisseur: 0, 2//m (0,1 à 1,0//m) Lame d'air 7 du condensateur:

largeur: 4/m (1 à 10Am).

Claims

REVENDICATIONS

1. Détecteur de pression capacitif du type comprenant un socle en forme de plaquette (13), une plaque de condensateur fixe (14) disposée sur le socle (13) et une capsule anéroúde (6) placée en liaison avec le socle (13) et comportant une zone (8) pourvue d'une plaque de condensateur mobile

qui fait face à la plaque de condensateur fixe (14) et dont la distance vis-

à-vis de cette dernière varie en fonction de la pression, caractérisé en ce que:

- sur le socle en forme de plaquette (13), est disposée une pla-

quette de silicium (5) dans laquelle est formée une partie cen-

trale (8) définissant une membrane qui constitue la plaque de condensateur mobile; - sur la plaquette de silicium (5), est disposée hermétiquement

un élément de recouvrement (12), de préférence en forme de pla-

quette, qui délimite avec ladite partie centrale (8) de la plaquette de silicium (5), une cavité intérieure (6) en forme de cuvette de la capsule anéroide; et - la partie centrale (8) de la plaquette de silicium (5), qui définit la membrane, est réunie à la partie de bord de la plaquette de silicium (5) par un col ou un élément tubulaire (11) ayant une paroi relativement mince et s'étendant du bord

de la partie centrale (8) jusqu'au voisinage de la face inté-

rieure de l'élément de recouvrement (12), la partie centrale (8) et le col ou l'élément tubulaire (11)-étant réalisés en une seule pièce avec la partie de bord de la plaquette de silicium (5), tandis que la partie de bord de la plaquette de silicium (5) et le col ou l'élément tubulaire (11) délimitent entre eux une gorge (10) au moins sensiblement en forme de V, qui entoure

-la cavité intérieure (6) de la capsule anéroúde.

2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le socle (13) en forme de plaquette et l'élément de recouvrement (12) sont en verre.

3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la profondeur de la cavité intérieure (6) de la capsule anéroúde représente

au moins 30 % du diamètre du fond de cette cavité (6).