FR2626073A1 - Structure de capteur de pression capacitif et procede pour fabriquer une telle structure - Google Patents
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Abstract
La structure silicium-verre de capteur de pression capacitif comprend une partie faisant office de base 1, 2, 4 constituée d'une couche de silicium 1, 2 recouverte d'une couche de verre 4. Une électrode fixe 9 est formée sur la couche de verre 4. La seconde électrode 6 est une membrane en silicium écartée de la première électrode 9 et apte à fléchir. La base 1, 2, 4 est divisée perpendiculairement en régions 1, 2 isolées galvaniquement l'une de l'autre, à savoir en une région de contact 2 qui est reliée galvaniquement à l'électrode fixe 9, et en au moins une région de liaison 1, qui est isolée de la région de contact 2 par une couche isolante 3. Utilisation notamment pour éliminer les effets des capacités parasites produites par le processus de liaison anodique des deux parties en silicium.
Description
La présente invention concerne une structure de capteur de pression
capacitif, comprenant: - une partie faisant office de base, comportant une couche plane, électriquement conductrice, en silicium et une couche intermédiaire plane, liée de façon perma- nente à celle-ci, en un matériau isolant, par exemple en verre, dont l'épaisseur est essentiellement plus faible que celle de la couche de silicium; - une électrode de condensateur fixe plane, formée sur la partie faisant office de base; et - une électrode de condensateur en forme de
membrane, susceptible de fléchir, en silicium, essentiel-
lement d'une seule pièce. avec un élément formant base essentiellement plus épais qui l'entoure, espacée de l'électrode de condensateur fixe de manière à former un entrefer et alignée avec celle-ci en coincidence au moins approximative avec elle, de façon à ménager une chambre
hermétiquement fermée entre l'électrode fixe et l'élec-
trode en forme de membrane.
La présente invention concerne également un procédé pour fabriquer une telle structure de capteur
de pression capacitif.
On connait d'après les brevets américains n 4 597 027 et 4 609 966 une structure de capteur de pression capacitif à base de silicium/verre; l'élément en silicium de cette structure, dont la région centrale est amincie pour former une membrane, est fixé par liaison anodique à une couche de verre déposée sur la surface supérieure d'un second élément en silicium de manière à ménager entre ces deux parties un espace mince, hermétiquement fermé, formant entrefer. L'électrode de conden- sateur fixe plane, qui est placée sur la couche de verre dans l'espace formant entrefer, est en contact électrique avec le second élément en silicium. La membrane en silicium amincie constitue l'autre électrode
de condensateur, qui fléchit sous l'effet de la pression.
Les inconvénients de cette structure selon l'art antérieur sont les suivants: 1. Il se forme à travers la couche de verre, dans les régions qui relient les divers éléments,
une capacité parasite qui est effectivement cou-
plée en parallèle à la capacité mesurée du capteur.
2. Au cours du processus de liaison anodique, on applique entre les éléments en silicium une tension de plusieurs centaines de volts. Cette tension produit également un effet sur tous les condensateurs appartenant au capteur et contenus sur la pastille en silicium. Etant donné que l'ordre de grandeur de la largeur de l'entrefer diélectrique n'est que de quelques microns, la
probabilité d'un amorçage électrique est grande.
Il est donc nécessaire que, dans ce procédé, toutes les surfaces soient extrêmement propres
et lisses.
3. Ce n'est que sur la surface du verre que l'on
dispose de régions de contact faciles à relier.
Toutefois, il peut être préférable, dans cer-
taines occasions, pour obtenir une densité d'en-
registrement supérieure ou une meilleure protec-
tion des contacts, de placer les régions de liai-
son sur la surface inférieure du capteur.
Le but de la présente invention est de remé-
dier aux inconvénients de la technologie selon l'art antérieur, et de proposer une structure de capteur de pression d'un genre tout à fait nouveau et un procédé tout à fait nouveau pour fabriquer une telle structure. L'invention est basée sur l'idée de diviser la
pastille en silicium qui fait office de substrat du cap-
teur, en sous-régions isolées galvaniquement l'une de
l'autre de telle façon que chaque électrode fixe du conden-
sateur du capteur soit munie d'une région de contact propre reliée galvaniquement à l'électrode du condensateur et entourée par une région de liaison, la région de
contact étant isolée galvaniquement de la région de liai-
son à laquelle on peut appliquer une tension de liaison
élevée au cours du processus de liaison anodique.
De façon plus spécifique, la structure de cap-
teur de pression conforme à l'invention est caractérisée en ce que: - la partie faisant office de base est divisée perpendiculairement en régions isolées galvaniquement l'une de l'autre, à savoir en une région de contact qui coïncide avec l'électrode de condensateur fixe, qui est reliée galvaniquement à cette électrode et dont la superficie est au maximum égale à celle de ladite électrode, et en au moins une région de liaison, qui est isolée de la région de contact par une couche isolante, et sur laquelle on peut appliquer pendant le processus de liaison anodique une tension de liaison pour lier la partie faisant office de base et l'élément formant base de l'électrode de
condensateur en forme de membrane.
De façon correspondante, le procédé pour diviser
en sous-régions isolées galvaniquement une pastille élec-
triquement conductrice en silicium utilisée pour fabriquer
une structure de capteur de pression capacitif est carac-
térisé par les étapes suivantes: - on forme, dans une pastille en matériau de
base en silicium, des rainures qui pénètrent perpendi-
culairement dans la pastille et qui définissent des sous-régions d'un seul tenant, la profondeur des rainures s'étendant en dessous du niveau de la surface inférieure de la partie faisant office de base finale; - on remplit les rainures d'un matériau isolant, par exemple de verre;
- on amène, par exemple par chauffage, le maté-
riau isolant dans un état qui le fait adhérer au matériau de base qui l'entoure; et - on traite la surface inférieure de la partie faisant office de base de façon à l'amener à un niveau prédéterminé. La présente invention entraîne des avantages
notables.
La structure conforme à l'invention évite les capacités parasites dans les régions de liaison, car la
région de contact du substrat peut être prévue petite.
En outre, en disposant une isolation galvanique entre la
région de liaison du substrat et la région du condensa-
teur, on peut découpler la haute tension nécessaire pour
la liaison anodique.de l'entrefer diélectrique du conden-
sateur. De plus, la liaison électrique avec les électrodes du capteur est également réalisable sur la face inférieure
de la structure du capteur.
On va maintenant étudier en détail l'invention à l'aide des modes de réalisation suivants cités à titre d'exemples et illustrés dans les dessins annexés auxquels: - la figure la est une vue de côté en coupe d'une structure de capteur conforme à l'invention; - la figure lb est une vue en coupe selon A-A de la structure de capteur représentée à la figure la; - la figure 2 est une vue de dessous d'une seconde structure de capteur conforme à l'invention;
- la figure 3a est une vue de dessus partielle-
ment en coupe d'une troisième structure de capteur conforme à l'invention;
- la figure 3b est une vue de dessous de la struc-
ture de capteur représentée à la figure 3a; - la figure 3c est une vue en coupe selon B-B de la structure de capteur représentée à la figure 3a;
- la figure 4a est une vue de dessous d'une qua-
trième structure de capteur conforme à la présente inven-
tion; - la figure 4b est une vue en coupe selon C-C de la structure de capteur représentée à la figure 4a;
- la figure 5 représente une étape de la fabrica-
tion de la structure de capteur conforme à l'invention;
- la figure 6 représente une étape de la fabri-
cation de la seconde structure de capteur conforme à l'in-
vention.
Dans le mode de réalisation représenté aux figu-
res la et lb, la structure de capteur comprend une partie faisant office de base 1, 2, en silicium, divisée par un isolateur tubulaire en verre 3 en deux parties, à savoir une partie de liaison 1 et une partie cylindrique de contact 2. La face supérieure des parties 1 et 2 est recouverte d'une couche de verre 4. La partie de contact 2 est en communication avec une électrode de condensateur fixe plane 9 déposée sur la couche isolante en verre 4, par l'intermédiaire d'un plot en silicium 10. On réalise une liaison anodique avec la couche de verre 4 là o celleci rencontre la partie de liaison 1. On mesure la capacité du capteur entre la partie de contact 2 et un élément formant base en silicium 5. La partie de liaison 1 est reliée au potentiel de la masse, de sorte que, en utilisant une procédure de mesure appropriée,
on élimine l'effet de la capacité parasite formée à tra-
vers la couche de verre 4. La tension nécessaire pour le processus de liaison anodique dans la fabrication du
capteur s'applique entre la partie de liaison 1 et.l'élé-
ment formant corps 5, et se trouve ainsi effi-
cacement découplée de l'entrefer diélectrique entre les électrodes de condensateur 6 et 9. On forme ainsi entre les électrodes de condensateur 6 et 9 une chambre 25
fermée hermétiquement.
La structure 3 en verre qui isole les parties 1 et 2 peut être réalisée sous la forme de bandes qui se coupent l'une l'autre à angle droit, comme représenté à la figure 2, ou sous d'autres formes en variante. Dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, la partie de contact 2 a la forme d'un parallélépipède. Le choix d'un modèle d'isolateur est déterminé principalement par celui du procédé de fabrication utilisé. Des modifications sont également possibles dans la région de la partie en
silicium 2 non protégée.
Selon un troisième mode possible de réalisation de la structure de capteur de l'invention, représenté en détail aux figures 3a à 3c, la région 2 en silicium qui fait office de région de contact, est, comme représenté à la figure 3c, une colonne qui est entourée par des couches
en verre 3 allongées verticales et qui est en communica-
tion électrique avec une électrode de condensateur fixe plane 9. Les couches en verre bordent de plus huit autres
régions en silicium 1, 16, et 16'. La région 16 en sili-
cium est reliée à la région 2 en silicium par l'intermé-
diaire d'un conducteur 13 en forme de film mince métal-
lisé formé sur la surface inférieure du capteur. Les autres régions en silicium sont, de façon correspondante, reliées
l'une à l'autre par des éléments conducteurs métalliques 12.
Le circuit électrique traverse la couche de verre 4 jusqu'à la surface supérieure du capteur par l'intermédiaire de plots 26 en silicium. La région métallisée il est mise à la masse, et on mesure la capacité du capteur entre les
régions métallisées 17 et 18.
Dans le mode de réalisation de structure de capteur représenté aux figures 4a et 4b, les régions de contact sont aménagées sur la surface inférieure du capteur. La figure 4b représente une vue en coupe la tête en bas suivant C-C de la structure de capteur représentée à la figure 4a. En plus de la région de contact 2, le mode de réalisation représenté utilise une autre région en silicium isolée 20 qui communique électriquement, par l'intermédiaire d'un plot en silicium 21 qui traverse. la couche de verre 4, avec un élément 5 en silicium et en outre avec une membrane 6 en silicium qui constitue la seconde électrode de condensateur. La face inférieure du capteur est munie de régions métallisées par un film mince, 22, 23 et 24, sur lesquelles la connexion de conducteurs peut se faire par brasage, par soudage ou par un procédé semblable. La région 22 est reliée à la région 2 en silicium, la région 23 est reliée à la région 20 en silicium, et la région 24 est reliée au reste des régions en silicium. On peut mesurer la capacité du capteur entre les régions 22 et 23 lorsque les régions 24 sont reliées
au potentiel à la masse dans la procédure de mesure.
L'épaisseur de la couche en verre 3 peut être
comprise entre 10 et 500 microns (<m), et est de préfé-
rence égale à 150 gm. L'épaisseur de la couche en verre 4 peut être comprise entre 1 et 150 Nm, et est de préférence
égale à 30 gm.
On peut fabriquer la structure illustrée dans les exemples précités de la manière suivante conformément à la figure 5: - on traite la surface en silicium par attaque chimique ou par un autre procédé pour obtenir des plots en silicium 10, qui doivent traverser la couche en verre 4; - on traite la pastille en silicium pour obtenir des rainures étroites et profondes 3, dont la profondeur doit être suffisante pour séparer pratiquement les régions en silicium l'une de l'autre. Les régions restent reliées l'une à l'autre par des isthmes 19 dans la partie infé- rieure de la pastille en silicium. La forme et les dimensions des régions et des rainures sont déterminées par le procédé de traitement utilisé pour la réalisation des rainures 3. On peut citer comme exemplesde procédé utilisables, le perçage au moyen d'un foret creux, l'attaque
chimique, l'usinage laser, l'usinage par étince-
lage et le sciage. De tous les procédés cités,
les trois derniers sont particulièrement fiables.
Le sciage produit sans effort des rainures étroi-
tes qui, toutefois, divisent la pastille en
nombreux morceaux inutiles. D'autre part, l'usi-
nage laser nécessite un réglage précis de la pro-
fondeur; - on étale sur la surface du silicium de la poudre de verre 7 et on la fond jusqu'à ce que le verre remplisse les rainures; - on abaisse la surface du verre par abrasion
jusqu'à un niveau qui est par exemple approxima-
tivement le niveau D, de façon à faire apparaî-
tre les plots en silicium tout en maintenant une couche de verre 4 ayant une épaisseur désirée sur les autres régions;
- en partant de la surface inférieure de la pas-
tille, on enlève la couche inférieure de silicium jusqu'à atteindre un niveau, qui est par exemple indiqué approximativement par E, tel que
les isthmes 19 soient éliminés et que les mor-
ceaux de silicium soient séparés l'un de l'autre;
- on polit la surface du verre.
On peut facilement développer de nombreuses variantes de la structure et du procédé décrits. Une des
caractéristiques du procédé est que l'on traite une pas-
tille unique en matériau de la base pour la transformer en une pastille contenant plusieurs parties isolées l'une de l'autre. Le procédé de fabrication est caractérisé par la séparation presque complète des morceaux de la pastille l'un de l'autre, par une phase suivante de fusion du verre,
et par une séparation finale des morceaux d'avec la pastille.
Cette approche maintient la forme plane de la pastille en matériau de la base et la précision dimensionnelle des éléments. Une approche fiable consiste, en variante, à monter rigidement la pastille en matériau de base sur une autre pastille support 27 conformément à la figure 6 pour permettre l'usinage complet des rainures par pénétration de la pastille en matériau de base. Après les phases de fusion et d'abrasion du verre, on détache la pastille support. Lorsqu'une structure de capteur de pression est terminée, on peut utiliser les éléments isolés l'un de
l'autre de la pastille du capteur comme éléments de cir-
cuits très variés. Un exemple de cette possibilité est
donné par la structure de capteur représentée aux figu-
res 3a à 3c.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus, et on peut
apporter à ceux-ci de nombreux changements et modifica-
tions sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (8)
1. Structure de capteur de pression capacitif, comprenant: - une partie faisant office de base (1, 2, 4), comportant une couche plane, électriquement conductrice, en silicium (1, 2) et une couche intermédiaire plane (4), liée de façon permanente à celle-ci, en un matériau isolant, par exemple en verre, dont l'épaisseur est essentiellement plus faible que celle de la couche de silicium (1, 2); - une électrode de condensateur fixe plane (9), formée sur la partie faisant office de base (1, 2, 4); et - une électrode de condensateur en forme de
membrane (6), susceptible de fléchir, en silicium, essen-
tiellement d'une seule pièce avec un élément formant
base (5) essentiellement plus épais qui l'entoure, espa-
cée de l'électrode de condensateur fixe (9) de manière à former un entrefer et alignée avec celle-ci en coincidence au moins approximative avec elle, de façon à ménager une chambre hermétiquement fermée (25) entre l'électrode fixe (9) et l'électrode en forme de membrane (6), caractérisée en ce que: - la partie faisant office de base (1, 2, 4) est divisée perpendiculairement en régions (1, 2) isolées galvaniquement l'une de l'autre, à savoir en une région de contact (2) qui coïncide avec l'électrode de condensateur fixe (9), qui est reliée galvaniquement à cette électrode et dont la superficie est au maximum égale à celle de ladite électrode, et en au moins une région de liaison (1), qui est isolée de la région de contact (2) par une couche isolante (3), et sur laquelle on peut appliquer pendant le processus de liaison anodique une tension de liaison pour lier la partie faisant office de base et l'élément formant base (5) de l'électrode de condensateur
en forme de membrane.
2. Structure de capteur de pression conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la région
de contact (2) a la forme d'un cylindre.
3. Structure de capteur de pression conforme à la revendication 1, caractérisée en ce que la région
de contact (2) a la forme d'un parallélépipède.
4. Procédé pour diviser en sous-régions isolées
galvaniquement (1, 2) une pastille électriquement conduc-
trice en silicium utilisée pour fabriquer une structure de capteur de pression capacitif, caractérisé par les étapes suivantes: - on forme, dans une pastilleen matériau de
base en silicium, des rainures (3) qui pénètrent perpen-
diculairement dans la pastille et qui définissent des sous-régions (1, 2) d'un seul tenant, la profondeur des
rainures s'étendant en dessous du niveau (E) de la sur-
face inférieure de la partie faisant office de base finale; - on remplit les rainures d'un matériau isolant (7), par exemple de verre;
- on amène, par exemple par chauffage, le maté-
riau isolant (7) dans un état qui le fait adhérer au matériau de base qui l'entoure; et - on traite la surface inférieure de la partie faisant office de base de façon à l'amener à un niyeau
prédéterminé (E).
5. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise les rainures (3) par
perçage au moyen d'un foret creux.
6. Procédé conforme à la revendication 4, caractérisé en ce qu'on réalise les rainures (3) par
usinage laser.
7. Procédé conforme A l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise les rainures
par sciage.
8. Procédé conforme à l!une des revendications
4 à 7, caractérisé en ce que, avant d'usiner les rainures
(3), on monte la pastille formant substrat sur une. pas-
tille formant support séparée (27).
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