FR2572525A1 - Appareil et procede pour realiser un dispositif sensible a la pression - Google Patents

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Robert E Hickox
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Burr Brown Corp
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Abstract

DISPOSITIF SENSIBLE A LA PRESSION, CONSTITUE PAR UN CRISTAL UNIQUE DE SILICIUM. ON FORME SUR CE CRISTAL 10 UNE ZONE DE DIAPHRAGME 12 RELATIVEMENT MINCE, UNE ZONE FORMANT CADRE 11 ET UN CIRCUIT. DES ELEMENTS PIEZO-RESISTIFS 13 SITUES A LA LIMITE ENTRE LE DIAPHRAGME 12 ET LE CADRE 11 SONT SENSIBLES AUX CHANGEMENTS DE PRESSION ET, CONJOINTEMENT A D'AUTRES ELEMENTS ET A DES CONDUCTEURS QUI LES RELIENT, CES ELEMENTS SONT CONSTITUES PAR UN MINCE FILM ETOU DES MOYENS DE DOPAGE AFIN DE REALISER UN CIRCUIT INTEGRE MONOLITHIQUE. CES ELEMENTS SONT PASSIFS ET IL SUFFIT D'Y APPLIQUER DES TENSIONS D'ENTREE ET DE DETECTER DES SIGNAUX DE SORTIE POUR REALISER UN COMPOSANT FONCTIONNEL. DES RESISTANCES REGLABLES SONT PREVUES POUR ASSURER L'EQUILIBRAGE ET LE REGLAGE DE LA RESISTIVITE, AINSI QU'AU MOINS UN ELEMENT QUI ASSURE LA COMPENSATION DE TEMPERATURE. APPLICATION NOTAMMENT AU CONTROLE DE LA TENSION ARTERIELLE.

Description

La présente invention a trait en général aux dispositifs détec-
teurs de pression, et plus particulièrement aux dispositifs destines à détecter des pressions et qui se composent d'éléments de circuit intégré
élaborés, sur un cristal unique.
Il est connu, dans l'art considéré ici, qu'une déformation d'un élément résistant du genre circuit intégré peut produire un changement dans la valeur de la résistance, ce phénomène étant généralement appelé "effet de résistance pièzo-résistive'"". Les éléments résistants de ce type se composent essentiellement de parties déformables d'un matériau déterminé et les variations de résistance ainsi obtenues peuvent être utilisées pour déterminer la quantité de force ou de pression appliquée
au matériau.
Ces dispositifs, tels qu'ils étaient mis en oeuvre jusqu'à pré-
sent, présentent plusieurs inconvénients qui en ont limité l'utilité.
Plus particulièrement, bien que les éléments piézo-résistifs soient
formés sur le matériau déformable, les éléments associés sont principale-
ment des composants distincts situés dans une zone distincte du circuit.
Pour améliorer la sensibilité et la précision, les éléments piézo-résis-
tifs sont principalement des composants d'un circuit à pont, ce qui
exige la présence de plusieurs éléments de circuit associés entre eux.
L'adoption d'éléments distincts va à l'encontre d'une utilisation effi-
cace de l'espace. De plus, les éléments de résistance réagissent à la
température et, par conséquent, lorsqu'il s'agit de procéder à des mesu-
res précises de pressions, il est indispensable d'effectuer une compen-
sation de température.
Par conséquent, il existe une demande pour un composant qui com-
prend non seulement les éléments piézo-résistifs précités, mais aussi les éléments de circuit y associés. Une autre condition à satisfaire pour
ce composant est l'adoption d'éléments passifs de circuit et l'incorpora-
tion de moyens compensateurs de température dans ce composant.
Il s'ensuit que la présente invention a pour objet de prévoir un
dispositif perfectionné pour la détection de températures.
Un autre but de l'invention consiste à prévoir un dispositif sen-
sible à la pression qui soit à la fois précis et monolithique.
Par ailleurs, l'invention a pour but de prévoir un dispositif dé-
tecteur de pression de type monolithique qui se compose d'éléments pas-
sifs.
D'autre part, la présente invention a pour but de prévoir un trans-
ducteur de pression à diaphragme mince, fabriqué à partir d'un seul cris-
-2 - tai.
L'invention a aussi pour but de prévoir des éléments piézo-ré-
sistifs à implantation d'ions, avec effet de compensation thermique,
sur un transducteur de pression du type à diaphragme mince.
Enfin, l'invention a pour but de prévoir un transducteur de pres- sion à diaphragme mince, lequel contient des éléments de compensation thermique fabriqués sur le dispositif transducteur de pression proprement dit. Ces différents buts, ainsi que d'autres encore, sont réalisés, suivant la présente invention, grâce à l'adoption d'un transducteur de pression à diaphragme mince dans lequel on a formé des composants sur
un cristal unique de silicium, afin d'obtenir des éléments piézo-résis-
t, des éléments électriquement résistants et des éléments de compen-
sation thermique. Le réseau d'éléments formés sur un cristal unique de silicium est un circuit à pont et les éléments du circuit sont tous du
type passif, ce qui permet l'application de signaux tant en courant al-
ternatif qu'en courant continu. Le dispositif peut être utilisé pour me-
surer des pressions dans un fluide et, plus particulièrement, on peut le placer dans un tube intraveineux pour contr8ler la pression artérielle
d'un patient.
Ces différentes caractéristiques, ainsi que d'autre encore, res-
sortiront au cours de la lecture de la description qui suit et se réfère
au dessin annexé, sur lequel:
La FIGURE 1 est une vue en plan du dessus d'un dispositif à dia-
phragme à film mince, montrant l'emplacement général des éléments piézo-
résistifs;
La FIGURE lb est une coupe transversale faite à travers le dispo-
sitif à diaphragme à film mince de la Figure la; La FIGURE 2 est un schéma de circuit des éléments de la présente invention, formés sur le dispositif à diaphragme à film mince, et La FIGURE 3 est une coupe transversale montrant l'utilisation du dispositif pour la détection de la pression dans un récipient rempli de fluide. Si l'on se réfère tout d'abord à la Figure la, on voit que le transducteur de pression 10 suivant la présente invention se compose d'un unique cristal de silicium comportant une partie 11 formant cadre et une
zone centrale plus mince 12 qui constitue le diaphragme. D'une façon gé-
nérale, à l'intersection du cadre et du diaphragme, les éléments piézo-
résist s'obtiennent grâce à une diffusion 13 d'un matériau approprié, -3 -
dans le silicium qui constitue le cristal unique.
Si l'on se reporte maintenant à la Figure lb, on voit que celle-ci
montre en coupe transversale passant en substance par le milieu du trans-
ducteur de pression 10, la zone dite de diaphragme 12 ainsi que les zones dopées 13 qui produisent l'effet piézo-résistifs. La Figure 2 montre par ailleurs la structure du circuit électrique
du transducteur sensible à lapression: Deux bornes d'entrée V. et V'.
in in sont prévues. La première, Vin, est reliée à une première borne d'une
résistance R2 ainsi qu'à une première borne d'une autre résistance R1.
La borne V'in est reliée à la seconde borne de la résistance R1 ainsi îin qu'à une première borne d'une troisième résistance R3. Une seconde borne
de la résistance R2 est reliée à une première borne d'une quatrième ré-
sistance R4 ainsi qu'à une première borne d'une résistance R11, alors qu'une seconde borne de la résistance R3 est reliée à une première borne d'une résistance R7 et à une première borne d'une résistance R14. Une Une seconde borne de la résistance R4 est reliée à une première borne de la résistance R5, et une seconde borne de la résistance Rl est reliée à une première borne d'une résistance R12, alors qu'une seconde borne de la résistance R9 est reliée à la première borne d'une résistance R6, une seconde borne de la résistance R14 étant reliée à une seconde borne d'une résistance R5, à une seconde borne de la résistance R6 à une première
borne d'une résistance R8 et à une première borne d'une résistance R9.
Une deuxième borne de sortie V' est reliée à une seconde borne de la out résistance R12, à une seconde borne de la résistance R13 et, à travers la résistance R10, à la seconde borne de la résistance R ainsi qu'à une
, 8
seconde borne de la résistance R. Une résistance R15, branchée entre une 9.1 seconde borne de la résistance R2 et une seconde borne de la résistance
R5, est représentée en traits pointillés.
Si l'on se réfère maintenant à la Figure 3, on y voit un tube 41
qui contient un fluide 40. Un mécanisme 42 à interface est fixé aux pa-
rois du tube 41 contenant le fluide et aussi au dispositif 10 sensible à la pression. Le fluide 40 est en contact direct avec le dispositif
transducteur de pression 10. Les quatre conducteurs qui relient les bor-
nes couplées Vin V' in et Vout et V' out aux conducteurs de signaux re-
présentés sur la Figure 3 sont indiqués comme étant reliés directement aux éléments sensibles à la pression. Il est évident qu'il ne s'agit ici que d'une représentation schématique et qu'il est nécessaire d'utiliser mun élément à interface pour assurer l'accouplement électrique entre le
transducteur 10 sensible à la pression et les conducteurs de signaux.
-4 - Si l'on se reporte de nouveau aux Figures la et lb, on voit qu'un mince diaphragme 12 et un cadre 11 sont réalisés à partir d'un unique cristal de silicium. Dans la zone d'intersection de la partie diaphragme
12 et de la partie cadre 11, on assure la diffusion contr8ôlée d'un maté-
riau sélectionné dans le silicium, ce qui se traduit par la réalisation
d'une résistance à chaque intersection entre le diaphragme et le cadre.
Ces résistances 13 constituent les éléments d'un pont de Wheatstone et
lorsqu'on applique une pression au diaphragme, une déformation des ré-
sistances formées dans les zones dopées se traduit par un effet piézo-
résistant mesurable.
Si l'on se reporte maintenant à la Figure 2, on voit en R5, R6, R12 et R13 la représentation schématique des résistances du pont de Wheatstone constituées par les quatre zones de diffusion 13 dans le cas du dispositif sensible à la pression 10. Les autres résistances R1, R2,
R3, R8 et R10 et les trajets conducteurs qui les relient sont tous for-
més sur le cristal de silicium en déposant des matériaux appropriés sur
ce cristal unique. La résistance R9 s'obtient en dopant une zone déter-
minée du cristal unique de silicium. Les résistances R4, Rll, R14 et sont insérées dans le circuit afin de permettre un réglage adéquat de la résistance dans chacune des branches du pont. Ainsi, ces résistances sont du type ajustable qui permet d'obtenir des variations de la valeur de la résistivité, par exemple grâce à l'usage d'un laser afin d'enlever par brûlage une partie de l'élément résistif. Ces résistances se règlent
de façon à produire une tension nulle entre les bornes Vout et V' out.
Les résistances R8 et R10 sont également du type ajustable et servent à établir la résistance de sortie du réseau. Les résistances R2 et R3 sont aussi ajustables et l'on peut choisir leur valeur de façon à régler la
sensibilité du circuit. La résistance R1 est aussi une résistance régla-
ble dont la valeur peut être choisie de façon à établir la valeur de la
résistance d'entrée du circuit.
Une résistance particulièrement critique dans un dispositif de ce type est la résistance R9. A mesure que la température augmente, l'effet piézorésistif des résistances R5, R6, R12 et R13 diminue. La résistance
Rg est choisie de façon qu'elle possède un coefficient positif de tempé-
rature, afin de compenser la diminution de l'effet piézo-résistif selon la température. Le coefficient de température de la résistance R9 peut être contr8lé en agissant sur le niveau de dopant utilisé. Le coefficient de température de résistance du silicium, pour une multitude d'atomes de dopage, est bien connu dans la littérature. D'une manière analogue, la -5-
résistance 15 peut 9tre du type à zone dopée avec un coefficient de tem-
pérature positif afin soit de remplacer la résistance 9, soit de contri-
buer, avec cette résistance 9, au processus de compensation.
La correction ou compensation de la pression zéro du système à pont dépend de l'équilibrage du coefficient de résistance.à la tempéra-
ture des résistances du pont. Cet équilibrage du coefficient de resis-
tance à la température des résistances est subordonné à la qualité de
l'égalisation de la concentration de l'agent dopant parmi les résistan-
ces du pont. En adoptant une technique d'implantation d'ions en combinai-
son avec un faible coefficient de résistance à la température pour des résistances à film mince destinées à servir de résistances d'équilibrage, on obtient une faible dépendance de la compensation de la pression zéro
à la température.
L'usage d'éléments passifs dans le circuit à pont et dans le cir-
cuit de compensation permet d'appliquer tant une tension alternative
qu'une tension continue aux bornes d'entrée.
L'on se réfère de nouveau à la Figure 3, qui montre une applica-
tion de la présente invention. Le transducteur 10 sensible à la pression
est monté de manière à se trouver en contact direct avec le fluide 40.
Les conducteurs de signaux appliquent V. et V'. au transducteur et re-
in in
çoivent Vout et V'out de celui-ci. Lorsque la colonne de fluide est as-
sociée à un dispositif intraveineux, on peut contr8ler la pression arté-
rielle.
La description qui précède vise à illustrer le fonctionnement du
mode préféré de réalisation de l'invention sans cependant en limiter le
champ d'application. Le but de l'invention est délimité par les Revendi-
cations qui suivent dont il est clair que de nombreuses variantes pour-
ront venir à l'esprit des spécialistes dans l'art sans s'écarter des
principes de base de l'invention.
-6-
R E V E N D I CA T I ONS
1. Dispositif sensible à la pression, comportant des éléments mo-
nolithiques associés, et caractérisé par le fait qu'il comprend: a) un cristal unique de silicium (10) comportant une zone dite de diaphragme (12) et une zone dite de cadre (11); b) des éléments piézo-résistifs (13) situés près de la limite entre les zones de diaphragme (12) et de cadre (11) du dispositif, et
c) des éléments conducteurs reliant ces éléments piézo-résis-
tifs pour constituer un circuit à pont.

Claims (17)

  1. 2. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 1,
    caractérisé par le fait qu'un élément compensateur de température (R9)
    est branché entre les bornes de sortie (V'ut, Vout) du circuit à pont.
  2. 3. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'un élément compensateur de température (R1)
    est branché entre les bornes d'entrée (Vin, V'in) dudit circuit à pont.
  3. 4. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'un élément compensateur de température (R8, R9) est branché entre les bornes de sortie (Vout, V' out) dudit circuit à pont (R5, R6; R12, R13) et qu'un élément compensateur de température est
    branché entre les bornes d'entrée (Vin, V'.in) de ce circuit à pont.
  4. 5. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un élément résistant ajustable (R2, R3) situé entre les bornes d'entrée (Vin, V'in) dudit circuit à
    pont afin d'ajuster une entrée de résistance, ainsi qu'un élément résis-
    tif réglable (R8, R10) branché entre les bornes de sortie (V out, V' out)
    dudit circuit à pont, dans le but de régler une résistance de sortie.
  5. 6. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte un élément résistif réglable (R9) branché en série avec lesdits éléments piézo-résistifs (R5, R6; R12,
    R13) afin d'équilibrer ledit circuit à pont.
  6. 7. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits éléments résistifs réglables (R2, R3) branchés en série avec chaque borne d'entrée (Vin, V'in) servent à régler
    la sensibilité dudit circuit à pont.
  7. 8. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 1, ca-
    ractérisé par le fait qu'il comprend: a) des éléments compensateurs de température (13) formés sur ledit cristal de silicium (10), et b) un moyen (42) pour exposer le dispositif sensible à la -7-
    pression dudit fluide.
  8. 9. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 8, caractérisé par le fait que ledit fluide est relié à un courant sanguin d'un 9tre vivant, pour permettre au dispositif sensible à la pression de mesurer la tension artérielle. 10. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 8,
    caractérisé par le fait qu'il comporte plusieurs éléments résistifs ré-
    glables (R2, R3, R8, R10) inclus dans ledit circuit à pont et formés sur
    ledit cristal (10) afin d'équilibrer le circuit à pont précité.
  9. 11. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comporte un élément résistif réglable (R1) branché entre les bornes d'entrée (Vin, V'i n) dudit circuit à pont, cet élément résistif assurant le réglage d'une résistance d'entrée et d'une
    résistance de sortie dudit circuit à pont.
  10. 12. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens destinés à mesurer une force, ces moyens comprenant: a) lesdits éléments piézo-résistifs (R5, R6; R12, R13) qui produisent une charge en valeur de résistivité lorsqu'on applique une force à ladite zone de diaphragme (12), et b) un moyen compensateur de température (R9) formé sur le cristal (10) et relié auxdits éléments piézo-résistifs (R5, R6; R12, R13)
    afin de compenser un coefficient de température dudit circuit à pont.
  11. 13. Dispositif sensible à la pression selon la Revendication 12, caractérisé par le fait que le moyen compensateur de température peut être constitué par un parmi plusieurs éléments résistifs diffusés, dont l'un (R9) est branché entre les bornes d'entrée (Vin, V'i) dudit
    circuit à pont, par un autre élément résistif (R10) diffusé, branché en-
    tre les bornes de sortie (V t, ' V) dudit circuit à pont, et par tre es brne de orte (Vut, out d'autres éléments résistifs diffusés, branchés entre les bornes d'entrée
    et de sortie dudit circuit à pont.
  12. 14. Procédé de fabrication du dispositif sensible à la pression selon la Revendication 1, caractérisé par le fait qu'il consiste à: a) former des éléments piézo-résistifs (R5, R6; R12, R13) aux confins de ladite zone de diaphragme dudit cristal unique de silicium (10), et
    b) former des trajets conducteurs sur ledit cristal de sili-
    cium (10), ces trajets conducteurs constituant lesdits éléments piézo-
    résistifs (R5, R6; R12, R13) pour constituer un circuit à pont, et
    257?2525
    -8 - c) former un élément résistif (R8, R9) entre les bornes de sortie (Vout V'out) dudit circuit à pont sur ledit cristal de silicium, ledit élément résistif ayant un coefficient de température qui compense
    le coefficient de température dudit circuit à pont.
  13. 15. Procédé selon la Revendication 14, caractérisé par le fait que l'on forme plusieurs éléments résistifs ajustables sur ledit cristal de silicium et que l'on branche des éléments sur ledit circuit à pont, les
    valeurs des éléments résistifs étant choisies de façon à équilibrer le-
    dit circuit à pont et aussi pour ajuster les résistances d'entrée et de
    sortie dudit circuit à pont.
  14. 16. Procédé selon la Revendication 14, caractérisé par le fait que
    l'on forme un second élément résistif entre les bornes d'entrée du cir-
    cuit à pont, ce second élément résistif ayant un coefficient de tempéra-
    ture qui compense un coefficient de température dudit circuit à pont.
  15. 17. Procédé selon la Revendication 14, caractérisé par le fait que l'on prévoit un composant intégré destiné à mesurer une force, ce procédé comprenant en outre les phases qui consistent à:
    a) former ces multiples éléments piézo-résistifs sur un cris-
    tal unique de silicium au voisinage d'une zone déformée par ladite force; b) former plusieurs éléments résistifs et réglables sur ledit cristal unique; c) diffuser des matériaux appropriés dans une zone déterminée dudit cristal afin de réaliser un élément à coefficient de température positif, et d) utiliser lesdits trajets conducteurs multiples pour relier ledit élément à coefficient de température positif audit circuit à pont afin de compenser les effets produits par les températures sur lesdits
    éléments piézo-résistifs.
  16. 18. Procédé selon la Revendication 17, caractérisé par le fait
    que l'on règle certains éléments résistifs ajustables précités afin d'é-
    quilibrer ledit circuit à pont.
  17. 19. Procédé selon la Revendication 17, caractérisé par le fait
    que l'on diffuse un matériau approprié dans une seconde zone dudit cris-
    tal afin de fournir un second élément à coefficient de température posi-
    tif, lesdits trajets conducteurs reliant ce second élément à coefficient
    de température positif audit circuit à pont.
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