FR2639114A1 - Transducteur de type vibrant servant a mesurer une grandeur physique associee a une deformation - Google Patents

Abstract

Ce transducteur comporte un corps vibrant 24 et des moyens 36 de détection des vibrations, ce dernier est un corps en forme de H comportant deux premiers vibrateurs 26A, 26B parallèles entre eux et un second vibrateur 26 accouplant les parties centrales des premiers vibrateurs, des moyens 17 d'application d'un champ magnétique continu perpendiculaire au corps 24, des moyens d'excitation faisant vibrer les vibrateurs en coopération avec le champ magnétique continu grâce à l'envoi d'un courant alternatif à des extrémités opposées ou à des mêmes extrémités des premiers vibrateurs, des moyens 36 de détection des vibrations détectant une force électromotrice produite sur les extrémités opposées de l'autre premier vibrateur sur les mêmes extrémités des deux premiers vibrateurs, et des moyens amplificateurs 39. Application aux transducteurs à barreau vibrant.

Description

La présente invention concerne un transducteur de type vibrant et un procédé de fabrication d'un tel transducteur et concerne en particulier un transducteur de type vibrant et un procédé de fabrication d'un tel transducteur, selon lesquels un vibrateur du type en forme de barreau, forgé sur un substrat en silicium, est maintenu en vibrations à une fréquence naturelle de vibration du vibrateur, et une grandeur physique comme par exemple une force appliquée au substrat en silicium, une pression, une pression différentielle ou analogue, est détectée à partir d'une variation de la fréquence de vibration naturelle, qui peut apparaître d'une manière correspondant à la grandeur physique.

De façon plus spécifique, l'invention concerne un transducteur de type vibrant, qui possède un rapport signal bruit élevé et est à même de produire, d'une manière stable, une auto-oscillation et concerne également le procédé de fabrication de ce transducteur.

Les figures 1 à 4, annexées à la présente demande, représentent des schémas-blocs montrant un exemple d'un transducteur de type vibrant de l'art antérieur.

La figure 1 est une vue en perspective du transducteur de type vibrant, utilisé en tant que capteur de pression, la figure 2 est un schéma-bloc, dans lequel la partie A de la figure 1 est représentée à plus grande échelle et un circuit de détection des vibrations est raccordé à cette section, la figure 3 est une vue en coupe prise suivant la ligne A-A' sur la figure 2 et la figure 4 est un dessin explicatif, sur lequel la réalisation reproduite sur la figure 2 est représentée par un circuit électrique équivalent.

Comme représenté sur la figure 1, le chiffre de référence 10 désigne un substrat formé d'un monocristal de silicium possédant une face supérieure située dans un plan d'orientation (100), contenant une concentration en impuretés égale à 1O:5 atomes/cm3 ou moins par exemple, et fournissant un mode de conduction de type p. Un diaphragme 11 est formé par creusement par corrosion à partir de la face arrière, de manière à être mince, sur une face du substrat 10.

Un ment de paroi périphérique épais 12 du diaphragme 11 est réuni à un support 14 possédant en son centre un trou 13 d'application de la pression et possédant une canalisation de pression 15 raccordée de manière à communiquer avec le trou 13 d'application de pression, et une pression P devant être mesurée est appliquée à la canalisation de pression 15.

Une couche de diffusion de type n+ (non représentée) possédant une concentration en impuretés égale à 1017 est formée en partie sur une surface de la face du diaphragme 11, repérée par la lettre de référence A et non corrodée, et un vibrateur 16 est formé sur une partie de la couche de diffusion de type n+ dans la direction < OOi > (figure 2). On obtient le vibrateur 16 par exemple en traitant la couche de type n+ et une couche de type p formée sur le diaphragme 11, par photolithographie et corrosion sous-jacente.

Le chiffre de référence 17 désigne un aimant disposé au-dessus du vibrateur 16, presque perpendiculairement et au centre de ce vibrateur, sans être en contact avec ce dernier, et le chiffre de référence 18 désigne une pellicule de SiO2 servant de pellicule isolante (figure 3).

Les chiffres de référence 19a,19b désignent des électrodes métalliques, constituées par exemple en ou analogue, une extrémité de l'électrode métallique 19a est raccordée à la couche de type n+, qui s'étend à partir du vibrateur 16 à l'intérieur d'un trou de contact 20a ménagé à travers une couche de SiO2, et l'autre extrémité est raccor dée à une résistance de référence Rc, dont la valeur résis- tive est égale à celle du vibrateur 16, par l'intermédiaire d'un conducteur, et également à une extrémité d'entrée d'un amplificateur 21. Le signal de sortie est produit par une extrémité de sortie de l'amplificateur 21, qui est raccordée à une extrémité d'une bobine primaire Ll d'un transformateur 22.Une autre extrémité de la bobine L1 est raccordée à une ligne commune.

D'autre part, une autre extrémité de la résistance de référence Ro est raccordée à une extrémité d'une bobine secondaire L2 du transformateur 22, dont le point médian est raccordé à la ligne commune, et une autre extrémité de la bobine secondaire L2 est raccordée à la couche de type n+ par l'intermédiaire de l'électrode métallique 19b et d'un trou de contact 20b formé de façon analogue sur une autre extrémité du vibrateur 16.

Dans l'agencement décrit précédemment, lorsqu'on applique une tension de polarisation inverse à l'isolant présent entre la couche de type p (substrat 10) et la couche de type n+ (vibrateur 16), et qu'un courant alternatif est envoyé au vibrateur 16, l'impédance du vibrateur 16 augmente lorsque ce dernier est à l'état de résonance, et si on désigne par R l'impédance alors présente, alors on obtient un circuit équivalent tel que représenté sur la figure 4.

Par conséquent, la bobine secondaire L2, dont un point central CO est raccordé à la ligne commune, la résistance de référence Ro et l'impédance Ro constituent un pont et c'est pourquoi, dans le cas où un signal déséquilibré dû au pont est détecté dans l'amplificateur 21 et que le signal de sortie est renvoyé à la bobine primaire Ll par l'intermédiaire d'une ligne de réaction 23, le système engendre une auto-oscillation à une fréquence naturelle de vibration du vibrateur 16.

Dans l'agencement mentionné précédemment, l'imp*- dance R du vibrateur 16 augmente, pour. la fréquence naturelle de vibration. L'impédance R peut être exprimée par la relation suivante
R s (1/222) . (1/Egy)l 2) . (AB2l2/bh2). Q + R avec
E : module d'élasticité
G : accélération de la pesanteur d : densité du matériau dont est constitué le vibrateur
A : Constante déterminée par le mode de vibration
B : densité de flux magnétique 1 : longueur du barreau vibrant b : largeur du barreau vibrant h : épaisseur du barreau vibrant
Q : facteur de qualité
Rd : valeur résistive en courant continu.

Conformément à la relation mentionnée précédemment, étant donné que le facteur de qualité Q du vibrateur 16 prend des valeurs allant de quelques centaines à quelques dizaines de milliers, on peut obtenir un signal d'amplitude intense à la sortie de l'amplificateur 21, dans l'état de résonance. Par conséquent, par suite de l'obtention d'une réaction positive suffisamment élevée sur la base du gain de l'amplificateur, le système du transducteur de type vibrant est auto-excité de manière à vibrer à la fréquence naturelle de vibration.

Alors, on peut utiliser pour le vibrateur un type de conductivité obtenu en faisant diffuser par exemple du B (bore) dans un substrat en silicium de type n, avec une concentration de 4 x 1019 atomes/cm3, au moyen d'une corrosion sélective.

Cependant, dans un tel transducteur de type vibrant, une force contre-électromotrice produite dans le vibrateur 16 est détectée à partir d'une tension déséquilibrée du pont à courant alternatif et, étant donné que la composante d'un courant excité ne peut pas être entièrement éliminée par le pont à courant continu il est évident qu'une tension correspondant à la composante du courant excité est multipliée au niveau d'une sortie du pont. Par conséquent le rapport signal/bruit de la tension se détériore par suite de la superposition d'une tension, apparaissant lors d'une variation de l'impédance du vibrateur, à une tension de la composante excitée, et par conséquent on ne peut pas obtenir un signal de sortie stable.

Sur la base de l'art antérieur mentionné précédemment, l'invention a tout d'abord pour but de résoudre un tel problème et par conséquent de fournir un transducteur de type vibrant comportant un vibrateur présentant un rapport signal/bruit satisfaisant, fournissant un signal de sortie stable et présentant également une sensibilité élevée, et en second lieu de fournir un procédé pour fabriquer un tel transducteur de type vibrant.

Dans un transducteur de type vibrant comportant un corps vibrant constitué par du silicium monocristallin, qui est disposé sur un substrat en silicium monocristallin, des moyens d'excitation servant à exciter le corps vibrant, et des moyens de détection des vibrations servant à détecter les vibrations du corps vibrant excité, afin d'atteindre les objectifs mentionnés précédemment il est prévu, en tant qu'agencement essentiel de la présente invention, un premier corps vibrant en forme de H comprenant deux premiers vibrateurs dont les deux extrémités sont fixées sur un substrat et qui sont parallèles entre eux, et un second vibrateur servant à accoupler mécaniquement des parties centrales des -premiers vibrateurs, des moyens d'application d'un champ magnétique servant à appliquer un champ magnétique continu perpendiculairement au corps vibrant, et des moyens d'excitation servant à faire vibrer les vibrateurs sous l'effet d'une coopération avec le champ magnétique continu, grâce à l'envoi d'un courant alternatif à des extrémités opposées de l'un des premiers vibrateurs ou à un même côté d'extrémité des deux premiers vibrateurs, des moyens de détection des vibrations servant à détecter une force électromotrice produite sur des extrémités opposées de l'autre premier vibrateur ou sur autre même côté d'extrémité des deux premiers vibrateurs, et des moyens amplificateurs branchés entre les moyens d'excitation et les moyens de détection des vibrations;;
et comportant en outre un vibrateur alimenté par une tension initiale prédéterminée sous l'effet de l'implantation d'un autre atome possédant un rayon de couplage inférieur au rayon de ouplage de l'atome constitutif du vibrateur;
et, dans un procédé de fabrication pour fabriquer un transducteur de type vibrant, selon lequel le vibrateur en forme de barreau est formé d'un seul tenant sur un diaphragme mince formé sur un substrat en silicium monocristallin, moyennant l'interposition d'un intervalle prédéterminé par rapport au diaphragme, hormis dans la partie d'extrémité, et selon lequel en outre la face supérieure du transducteur est recouverte par une coque laissant subsister un intervalle prédéterminé par rapport au vibrateur, l'invention consiste en ce qu'on forme une partie correspondant à l'intervalle et un vibrateur constitué par du silicium ou de l'oxyde de silicium, d'un seul tenant sur un substrat, qu'on recouvre ensuite une zone supérieure de la partie correspondant à l'intervalle au moyen d'une partie équivalente à une coque, et ce d'un seul tenant avec le substrat, puis qu'on aménage un orifice d'injection d'un agent corrosif, atteignant la partie correspondant à l'intervalle, sur la partie équivalente à la coque afin d'éliminer, par corrosion, la partie correspondant à l'intervalle, puis on ferme l'orifice d'injection afin d'établir une étanchéité à l'air.

Dans la construction mentionnée précédemment, si on applique une force extérieure au diaphragme sur le substrat, la fréquence naturelle de vibration du corps vibrant varie conformément à la force extérieure appliquée.

Une vibration du corps vibrant est détectée par des moyens de détection des vibrations et une variation de la fréquence naturelle de vibration est délivrée en tant que signal de sortie. Alors, une grandeur physique appliquée au diaphragme est détectée à partir de la variation de la fréquence naturelle.

En outre, dans le procédé de fabrication mentionné précédemment, on forme le diaphragme mince par corrosion dans le substrat en silicium et on peut former le corps vibrant en forme de H dans cette partie, d'un seul tenant avec le diaphragme lors de la corrosion et de la mise en oeuvre d'une technique liée aux semiconducteurs, conformément à une caractéristique du monocristal.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ciaprès prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels:
- la figure 1, dont il a déjà eté fait mention, est une vue en perspective montrant une structure de l'art antérieur dans laquelle un transducteur de type vibrant est utilisé en tant que capteur de pression;
- la figure 2, dont il a déjà été fait mention, représente un schéma-bloc, dans lequel la courbe A de la figure 1 est représentée à plus grande échelle et un circuit de détection des vibrations est raccordé à cette section;
- la figure 3, dont il a déjà été fait mention, représente une vue en coupe prise suivant la ligne A-A sur la figure 2;;
- la figure 4, dont il a déjà été fait mention, montre un dessin explicatif, dans lequel la structure reproduite sur la figure 2 est représentée par un schéma électrique équivalent;
- la figure 5 représente un schéma-bloc général montrant l'agencement général d'une forme de réalisation de l'invention; - Les figures 6(a) eut 6(b) représentent un agencement de la partie principale du corps vibrant représenté sur la figure 5, la figure 6(a) étant une vue en plan, dans le cas où la coque est retirée, tandis que la figure 6(b) est une vue en coupe prise suivant la ligne B-B sur la figure 6(a);
- la figure 7 est un graphiquemontrant une caractéristique du résultat obtenu au moyen de la mesure du rapport signal/bruit du transducteur de type vibrant représenté sur la figure 1;;
- la figure 8 est un schéma-bloc montrant une partie principale de la variante de la forme de réalisation représentée sur la figure 5;
- les figures 9(a) à 9(fj sont des schémas illustrant un procédé pour fabriquer le transducteur de type vibrant représenté sur la figure 5;
- les figures 10(a) et 10(b) sont des schémas illustrant une partie du procédé servant à former le corps vibrant en forme de H représenté sur la figure 5;
- les figures ll (a) à il (f) sont des schémas illustrant un procédé pour améliorer et stabiliser un rendement de fabrication du vibrateur selon le procédé illustré sur les figures 9 (a) à 9 (f); ;
- la figure 12 est un dessin montrant un perfectionnement du procédé représenté sur les figures 9(a) à 9(f)
- la figure 13 est un dessin montrant un effet d'une couche épitaxiale auxiliaire représentée sur les figures il (a) à Il (f);
les figures 14 (a) à 14 (c) sont des schémas illustrant la partie principale d'un procédé de fabrication permettant de réaliser une structure du corps vibrant, à l'intérieur de la coque duquel est maintenu un vide;
- la figure 15 représente une caractéristique relative à l'extraction d'un gaz pour le maintien d'un vide à l'intérieur ae la coque, en rapport avec les figures 14 (a) à 14 (c),
- les figures 16 (a) et 16 (b), montrent une illustration du procédé dans lequel le procédé illustré sur les figures 14 (a) à 14 (c) est partiellement modifié;;
- la figure 17 est une vue en coupe montrant la constitution de la partie principale d'un transducteur de type vibrant, pour lequel une tension initiale est appliquée au vibrateur;
- la figure 18 montre un tableau représentant une relation entre le rayon Ri de liaison covalente de chaque impureté et le rayon Ri de liaison covalente de différentes impuretés et d'un rayon Rsi de liaison covalente du silicium;
- la figure 19 est un dessin caractéristique montrant la variation de la constante du réseau en fonction de la densité des impuretés;
- les figures 20 ( a ) à 20 ( gl sont des schémas illustrant une partie principale du procédé de fabrication du corps vibrant, qui constitue une partie principale du capteur de contrainte de type vibrant, représenté sur la figure 17;;
- la figure 21 représente le schéma d'un circuit montrant un agencement détaillé de l'amplificateur représenté sur la figure 5;
- la figure 22 est un dessin caractéristique représentant l'effet obtenu lorsqu'on utilise une configuration du circuit de l'amplificateur, représentée sur la figure 21 ; et
- la figure 23 est un dessin caractéristique semblable à celui de la figure 22.

Ci-après on va décrire l'invention de façon détaillée en référence aux dessins annexés, représentant des formes de réalisation préférées de l'invention.

La figure 5 représente un schéma-bloc montrant 1'agencement général d'une forme de réalisation de la présente invention.-Loeti;eS 6(a) à 6(f) représentent un agencement d'une partie principale du corps vibrant monté sur la figure 5, la figure 6(a) représentant une vue en plan dans le cas où la coque est retirée et la figure 6(b !, une vue en coupe suivant la ligne B-B sur la figure 6(a).

Un corps vibrant 24 comporte un vibrateur en forme de H ou analogue, constitué par des premiers vibrateurs 26A,26B, et un second vibrateur 27 formé par du silicium de type p, ces vibrateurs étant formés d'un seul tenant sur un diaphragme 25 formé d'un monocristal de silicium possédant par exemple le type de conductivité n.

Comme dans le cas du diaphragme 11 représenté sur la figure 3, le diaphragme 25 est formé au moyen d'une corrosion et d'un amincissement de la partie centrale d'une surface inférieure du substrat en silicium de type n possédant une partie périphérique à paroi épaisse (non représentée), et est déplacé dans son ensemble sous l'effet de l'application d'une pression de mesure. Un renfoncement en forme de H 28, dans lequel chaque vibrateur est logé, est formé par corrosion dans une partie d'une face cristalline (100) située dans la surface supérieure du diaphragme 25.

Les premiers vibrateurs 26A,26B en forme de barreaux sont formés, en matériau de type p, d'un seul tenant avec le diaphragme 25 en étant parallèles à l'axe cristallin < 001 > , chacun s'étendant au-dessus du renfoncement 28, et ces parties centrales sont accouplées au second vibrateur en forme de barreau 27 de type p, perpendiculairement à ce dernier, en formant ainsi un vibrateur en forme de H.

On forme des électrodes 29 et 30 sur des côtés opposés du premier vibrateur 26A et on forme des électrodes 31 et 32 sur des extrémités opposées du premier vibrateur 26B. Un aimant 17 est disposé sur une surface supérieure du second vibrateur 27 de manière à être parallèle à cette partie, en produisant de ce fait un champ magnétique perpendiculairement au premier vibrateur 26At26B.

Une borne de sortie d'un transformateur d'entrée 23 agissant en tant que moyens d'excitation est raccordée aux électrodes 29,30, une extrémité d'une borne d'entrée 34 est raccordée à une borne de sortie 35 et l'autre extrémité est raccordée à une ligne commune.

Une borne d'entrée d'un tranformateur de sortie 36 fonctionnant en tant que moyens de détection des vibrations, est raccordée aux électrodes 31,32, et des bornes de sortie 37,38 sont raccordées à une extrémité d'entrée de l'amplificateur 39.

Sur les figures 5, 6(a) et 6(f) on a supprimé la coque recouvrant la partie supérieure du diaphragme 25, afin de faciliter la description, mais, comme cela sera décrit plus loin, les premiers vibrateurs 26A,26B et le second vibrateur 27 sont recouverts pratiquement complètement par le diaphragme 25, moyennant la présence d'un intervalle prédéterminé, conformément à une technique des semiconducteurs comme par exemple une croissance épitaxiale ou analogue, et en outre l'intervalle est maintenu sous vide à l'intérieur de la coque, ce qui permet de maintenir un facteur Q élevé pour la vibration des vibrateurs.

Dans l'agencement décrit précédemment, le premier vibrateur 26A est excité de manière à vibrer lors de l'envoi d'une tension depuis l'amplificateur 39 au transformateur d'entrée 33, conformément a une action en coopération avec un champ magnétique produit pår l'aimant 17. La vibration fait alors vibrer le premier vibrateur 26B par l'intermédiaire du second vibrateur 27, et la vibration amène le transformateur de sortie 36 à produire une force élec- tromotrice e à l'extrémité d'entrée, par suite d'une interaction avec l'aimant 17. La force électromotrice est envoyé à l'amplificateur 39 par l'intermédiaire du transformateur de sortie 36, est amplifiée et est ensuite envoyée à la bor ne de sortie 35.La tension amplifiée est renvoyée conformément à une réaction positive au transformateur d'entrée 33, ce qui fait apparaître une auto-oscillation du système.

Comme cela a été décrit précédemment, le corps 24 vibrant est subdivisé en le premier vibrateur 26A utilisé pour l'excitation et le premier vibrateur 26B utilisé pour la détection d'une force électromotrice, et les premiers vibrateurs 26k',26B sont accouplés entre eux mécaniquement conformément à des boucles de vibration par le second vibrateur 27. et c'est pourquoi la composante du courant excité n'est pas superposée à la force électromotrice e, et on peut obtenir un taux élevé de suppression de la composante excitée (rapport signal/bruit).

La figure 7 représente un résultat obtenu au moyen d'uEneYealraFpart signal/tauitdu tranducteur de type vibrant, agencé comme décrit précédemment.

Sur la figure 7, chaque graduation de l'axe des abscisses correspond à une fréquence de 1 kHz et chaque graduation sur l'axe des ordonnées correspond à une atténuation de 5 dB. La fréquence de résonance obtenue lorsque la pression appliquée au diaphragme 25 est nulle est 71 551,1 Hz, le point repéré par la marque x se situe à 13,3 dBm avec un niveau de référence égal à -7 dBm, et se rapproche graduellement de la ligne indiquant un bruit à -52 dBm, ce qui correspond au cas où il s'écarte de la fréquence de résonance. Le rapport signal/bruit est représenté sous la forme d'une différence de ces niveaux et par conséquent on obtient un rapport signal/bruit dans la gamme de 30 à 40 dB, ce qui est de loin supérieur à tout ce qui a été obtenu précédemment.

La figure 8 représente un schéma-bloc montrant une partie principale d'une autre forme de réalisation de l'invention.

Dans cette forme de réalisation, 1 agencement est tel qu'un côté secondaire du transformateur d'entrée 33 est raccordé à un même côté d'extrémité des deux premiers vibrateurs 26A,26B, et un côté primaire du transformateur de sortie 36 est raccordé à l'autre même côté d'extrémité des premiers vibrateurs 26A,26B.

Dans la forme de réalisation mentionnée précédemment, on a indiqué que le second vibrateur 27 était constitué par du silicium de type p, mais l'invention n'y est pas nécessairement limitée et c'est pourquoi, on peut utiliser un procédé selon lequel on dépose par évaporation un conducteur, comme par exemple de l'aluminium ou analogue, sur de l'oxyde .de silicium (SiO2) ou sur du nitrure de silicium (Si3N4).

En outre, dans de tels transducteurs de type vibrant, la fréquence de vibration varie conformément à un coefficient de température du module d'élasticité du silicium, et c'est pourquoi on peut les utiliser en tant que thermomètre placé dans une enceinte à vide et également en tant que densimètre mais pas en tant que manomètre.

Comme cela a été décrit, le corps vibrant 24 est subdivisé en le premier vibrateur 26A servant à réaliser l'excitation et en le premier vibrateur 26n servant à détecter une force électromotrice, et en outre les premiers vibrateurs 26A et 26B sont accouplés mécaniquement entre eux par le second vibrateur 27 de manière à former des boucles de vibration, et c'est pourquoi une composante de courant excité sexiste pas et que l'on peut par conséquent obtenir un taux élevé de réduction-de la composante excitée (rapport signal/bruit).

Par conséquent, conformément à la forme de réalisation représentée sur la figure 5, on peut réaliser un transducteur de type vibrant possédant un rapport signal/ bruit satisfaisant et le signal de sortie de fréquence soit stable.

toefee'' 9(a) à9(f)sont deschr2es illustrant un procédé pour fabriquer le transducteur de type vibrant représenté sur la figure 5. Pour simplifier la description, ie procédé concerne la fabrication du premier vibrateur en forme de barreau 26A, auquel le second vibrateur 27 n'est pas accouplé, à la place du corps vibrant 24.

La figure 9(a) illustre un procédé pour former un revêtement protecteur et aménager une ouverture dans ce revêtement.

On forme un revêtement protecteur 41 comme par exemple en oxyde de silicium, en nitrure de silicium ou analogue, sur une face cristalline d'orientation (100) d'un substrat (40) formé d'un monocristal de silicium de type n, puis on aménage une ouverture 42 dans une partie du revêtement protecteur 41, à l'aide d'un masque possédant une structure présentant la forme du premier vibrateur 26A formé sur le substrat.

Ensuite, on met en oeuvre le procédé illustré sur la figure 9(b), selon lequel on aménage un renfoncement dans le substrat.

On forme, dans le substrat 40, un renfoncement 43 correspondant à l'ouverture 42 en mettant en oeuvre une corrosion à l'aide de gaz chlorhydrique dans une atmosphère d'hydrogène (H2) à 1050-C.

Dans ce cas, on peut utiliser une corrosion anisotrope en employant une solution alcaline entre 40*C et 130'C par exemple, à la place de gaz chlorhydrique.

La figure 9(c) illustre un procédé épitaxial.

On mélange le gaz chlorhydrique dans un gaz récepteur, dans une atmosphère hydrogène (H2) à 1050-C, pour obtenir une croissance épitaxiale sélective de couches multiples. A cet égard, on va donner ci-après une description plus détaillée.

(1) Pour la première étape, on soumet une première couche épitaxiale 44, servant de moitié inférieure de la partie correspondant à l'intervalle, à une croissance épitaxiale sélective sur le renfoncement 43 au moyen de silicium de type p contenant une concentration égale à 10e cm-3 de bore.

(2) Pour la seconde étape, on soumet une seconde couche épitaxiale 45 correspondant au premier vibrateur 26A à une croissance épitaxiale sélective sur une surface de la première couche épitaxiale - 44 de manière à fermer l'ouverture 42 au moyen de silicium de type p contenant une concentration de 101 cm-3 de bore.

(3) Pour la troisième étape, on soumet une troisième couche épitaxiale 46 formant la moitié supérieure de la partie correspondant à l'intervalle, à une croissance épitaxiale sélective sur une surface de la seconde couche épitaxiale 45 en utilisant du silicium de type p contenant une concentration égale à 101e cm-3 de bore.

(4) Pour la quatrième étape, on soumet une quatrième couche épitaxiale 47 correspondant à la coque, qui sera décrite plus loin, à une croissance épitaxiale sélective sur une surface de la troisième couche épitaxiale 46 en utilisant du silicium de type p contenant une concentration égale à 1020 cm-3 de bore.

Mais, dans ce cas, on peut utiliser du silicium de type n contenant une concentration égale à 1017 cm-3 de phosphore, pour la troisième couche épitaxiale 46.

La figure 9(d) illustre un procédé pour former un orifice d'injection au moyen duquel on injecte un agent corrosif.

Selon ce procédé, on corrode la couche protectrice 41 et on l'élimine au moyen d'acide fluorydrique (HF), et on aménage un orifice d'injection 48, à l'aide duquel un agent corrosif est injecté, dans une face de la quatrième couche épitaxiale 47.

La figure 9(e) illustre un procédé de corrosion sélective servant à former un espacement entre le vibrateur et le substrat ou analogue.

On applique une tension impulsionnelle positive délivrée par une source d'alimentation en énergie impulsionnelle ED de manière que le substrat 40 de type n soit polarisé en inverse par rapport à la quatrième couche épitaxiale 47 de type p, on injecte une solution d'un alcali au moyen de l'orifice d'injection 48 en tant qu'élément de protection du substrat 40, et par conséquent on élimine la première couche épitaxiale 44 et la troisième couche épitaxiale 46 au moyen d'une corrosion sélective.

Alors, dans ce cas, on peut utiliser du silicium du type n contenant une concentration. égale à 1017 cm-3 de phosphore, pour la troisième couche épitaxiale 46, et on peut également utiliser du silicium de type p possédant une concentration égale à 1020 cm-3 de bore, pour la quatrième couche épitaxiale 47. On met à profit le fait que l'cation de corrosion est supprimée pour une concentration de bore dépassant la valeur de 4 x l019 cm-3.

Enfin, le procédé passe à l'étape de fermeture étanche illustrée sur la figure 9(f).

Selon cette opération, on soumet le silicium de type n à une croissance épitaxiale dans une atmosphère d'hydrogène (H2) à 1050C, on forme une couche épitaxiale 50 sur les surfaces extérieures du substrat 40 et sur la quatrième couche épitaxiale 47 de manière à former partiellement une coque 51 et à fermer l'orifice d'injection 48 pour réaliser l'étanchéité.

Par ailleurs, contrairement au procédé mentionné précédemment, le procédé d'êtanchéification peut inclure (1) la fermeture de l'orifice d'injection 48 au moyen d'une oxydation thermique, (2) la fermeture de l'orifice d'injection 48 par le dépôt, dans cet orifice, d'une pellicule de polysilicium conformément au procédé CVD ou par pulvérisation, (3) le remplissage de orifice d'injection 48 avec du silicium conformément à un dépôt par évaporation lors du procédé épitaxial, ou (4) le remplissage du trou avec un matériau isolant comme par exemple du verre (SiO2), du nitrure de silicium, de l'alumine ou analogue, conformément au procédé CVD, au procédé de dépôt par pulvérisation ou au procédé de dépôt par évaporation.

Bien que ceci ne soit pas indiqué1 on forme le diagramme ultérieurement en relevant le substrat 40 et en le corrodant à partir de sa face inférieure. On peut mettre en oeuvre le procédé de fabrication mentionné précédemment pour obtenir les effets indiqués ci-apres.

Tout d'abord, étant donné que le substrat 40, la seconde couche épitaxiale 45 agissant en tant que premier vibrateur 26A et la coque 51 sont formés d'un seul tenant, il n'est pas nécessaire de réunir le substrat 40 et la coque 51 l'un à l'autre, ce qui évite l'instabilité due à une liaison.

En second lieu, l'air et les vibrateurs peuvent être isolés par une structure simple, ce qui permet d'obtenir aisément une miniaturisation.

En troisième lieu, étant donné qu'on utilise une technique de traitement des semiconducteurs, on peut aisément obtenir une position, une épaisseur et une forme précises des vibrateurs et de la coque.

Les figures 10(a) et 10(bu il3oetxst une partie du procédé servant à former le corps vibrant en forme de H. Dans ce cas, le procédé illustré sur les figures 10(a) et 10(b) 1e procédé illustré sur les figures 9(a) et (b), et un autre procédé est identifié à celui de ces fiurs, ce qui permet de réaliser le corps vibrant 24 en forme de H.

Tout d'abord, comme cela est représenté sur la figure 10(a), on forme un revêtement protecteur 52 comme par exemple de l'oxyde de silicium, du nitrure de silicium ou analogue, sur une surface supérieure d'un plan cristallin 100 du substrat en silicium 40, puis on élimine le revêtement protecteur 52, formé sur une surface du substrat 40, conformément à une forme en H par photolithographie, à l'aide d'un masque possédant une ouverture en forme de H, ce qui permet de former une ouverture 53 en forme de H dans le revêtement protecteur 52.

L'ouverture 53 en forme de H est disposée de telle sorte que les branches du H formées par chacun des premiers vibrateurs 26A,26B et par le second vibrateur 27. sont orientées dans la direction < 001 > du substrat 40 et également dans une direction perpendiculaire à la direction précédente.

Ensuite, comme cela est illustré sur la figure 10(b), on forme un renfoncement 54 correspondant à l'ouverture 53, dans le substrat 40, par corrosion du revêtement protecteur 52 comprenant une telle ouverture 53.

Ensuite, on forme le corps vibrant 24 en forme de
H représenté sur la figure 5, conformément au procédé illustré sur les figures 9(a) à 9(f). Les figures ll(a) à ll(f) illustrent un procédé permettant d'améliorer et de stabiliser le rendement des vibrateurs lors du procédé de fabrication illustré sur les figures 9(a) à 9(f).

Ce procédé est presque le même que le procédé représenté sur les figures 9(a) à 9(f) hormis pour ce qui concerne la figure ll(c).

Le procédé illustré sur la figure ll(c) inclut la formation d'une couche épitaxiale 71 de type p, comportant une concentration élevée de bore P++, et possédant une épaisseur de 1 Wm ou moins, sur une surface du renfoncement 43 ménagé comme cela est illustré sur la figure ll(b). Dans ce cas, la concentration est réglée de préférence sur la valeur limite de la corrosion de la couche épitaxiale 71 de type p à l'aide d'un agent corrosif, à savoir par exemple à environ 3 x 1019 cm-3.

Puis le procédé passe à l'opération de corrosion illustrée sur la figure 11(f) après la mise en oeuvre du procédé épitaxial illustré sur la figure ll(d), puis passe à la formation d'un orifice d'injection d'un agent corrosif, illustrée sur la figure ll(e).

Lors de ce procédé, on injecte un agent réactif à partir de l'orifice d'injection 48 de manière à corroder et éliminer la première couche épitaxiale 44 sur une étendue équivalente à la partie correspondant à l'intervalle et la troisième couche épitaxiale 46. Dans ce cas, la couche épitaxiale auxiliaire 71 est du type p et possède une concentration élevée, et c'est pourquoi, de façon intrinsèque, elle n'est pas corrodée mais, étant donné qu'elle est très mince, la concentration du bore s'en trouve reduite jusaue dans l'état prêt pour la corrosion par une solution alcaline conformément à un processus dauto-dopage lors du procédé épitaxial sélectif et à une diffusion lors de l'opération de chauffage, et par conséquent la face de type n du substrat 40 ressort à la surface.

Le procédé mentionné précédemment va en outre être décrit de façon détaillée en référence aux figures 12 et 13.

Dans le procédé illustré sur la figure ll(c), aux emplacements où la couche épitaxiale auxiliaire 71 n'existe pas, le Si de type p subsiste sous la forme d'îlots sur une jonction pn contre le substrat 40 de type n et la première couche épitaxiale 44 de type p, lors du procédé de corrosion illustre sur la figure loin).

Un résidu 72 de type p (figure 12) subsistant sous la forme d'îlots comme cela a été mentionné forme une couche d'inversion 73 de type n, au niveau d'une limite avec la solution alcaline, qui est un agent corrosif utilisé lors de la corrosion, ce qui entraîne la formation d'un trajet, dans lequel circule un courant il délivré par une source d'alimentation en énergie impulsionnelle Ep (figure ll(f)), comme cela est indiqué par une flèche, de manière à protéger la surface du résidu 72 de toute corrosion, ce qui est susceptible de poser un problème consistant en ce qu t une partie inférieure du vibrateur n'est partiellement pas corrodée.

Alors on forme la couche épitaxiale auxiliaire 71, qui est une couche dopée par du bore de type p possédant une concentration élevée P" (3 x 1019 cm-3 environ) et possédant une épaisseur de 1 pm ou moins, sur une partie supérieure du substrat 40, le courant il étant interrompu de manière à empêcher la formation du résidu 72, et une corrosion stable est garantie, ce qui améliore le rendement de fabrication.

La poursuite du procédé consiste en la formation de la coque, comme dans le cas de la figure 9(f).

Les figures 11(A) à ll(c) illustrent le dérlynredun exode montrant une partie principale 47 du procédé de fabrication permettant de realiser une structure de corps vibrants maintenant le vide à l'intérieur de la coque.

Pour détecter la pression et d'autres paramètres avec une grande sensibilité et maintenir un facteur Q élevé, il est nécessaire que le vibrateur soit placé sous vide.

Cependant, dans ce cas, un certain appareillage est nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication dans un tel trajectoire de type vibrant comportant une structure, dans laquelle les vibrateurs en forme de barreaux 26A,26B,27 sont formés d'un seul tenant sur le diaphragme 25.

On va considérer pour la description en rapport avec les figures 14(a) à 14(c) le cas où les premiers vibrateurs du corps vibrant représenté sur la figure 5 sont placés sous vide.

Le procédé illustré sur les figures 9(a) à 9(e) reste le même, et par conséquent on obtient un résultat de corrosion représenté sur la figure 10(a), équivalente à la figure 9(f).

Lors de l'opération illustré sur la figure 14(b), on soumet les surfaces extérieures du substrat 40 et la quatrième couche épitaxiale 47 à une croissance épitaxiale de type n à une température de 1050 C et ce d'une manière générale dans une atmosphère d'hydrogène (H2) ou sous vide.

L'orifice d'injection 48 formé entre le substrat 40 et la quatrième couche épitaxiale 47 est rempli par la croissance épitaxiale, la coque 51 est formée de ce fait et le corps vibrant prévu pour le transducteur de type vibrant comportant par exemple le premier vibrateur 26A constitué par la seconde couche épitaxiale interne est ainsi formé.

Dans ce cas, on forme une couche de type n, dont l'épaisseur est équivalente à une taille d'ouverture t de l'orifice d'injection 48, autour du premier vibrateur 2A et également à l'intérieur d'une cavité 74.

Lors du procédé illustré sur la figure 14(b), étant donné que la croissance épitaxiale est mise en oeuvre dans l'atmosphère d'hydrogène (H2), la cavité 74 formée entre le substrat 40 en monocristal de silicium et la coque 51 est chargée par de l'hydrogène (H2).

Alors, comme cela est illustré sur la figure 14(c), on place un transducteur de type vibrant comportant le corps vibrant dans l'atmosphère.maintenue Hz maintenu sous vide à 900 C, et l'hydrogène (H2) est extrait en direction du vide à travers un réseau cristallin de silicium. Le degré du vide ainsi obtenu est égal à 0,133 Pascal ou moins.

On a alors obtenu un résultat semblable dans un gaz inerte et du gaz azote possédant une pression partielle d'hydrogène réduite.

On va décrire l'extraction de l'hydrogène en référence à la figure 15. Sur la figure 15, l'axe des abscisses reproduit la température et l'axe des ordonnées la pression de dissociation. Alors la droite tracée obliquement à partir de l'origine indique une limite séparant un domaine dans lequel l'hydrogène est absorbé dans le silicium du substrat 40, et un domaine dans lequel il est extrait hors du silicium.

Conformément à cette illustration, dans le cas du maintien en l'état sous un vide T1 ou par exemple à 1200*K pendant un long intervalle de temps, l'hydrogène situé dans la coque 51 est absorbé dans le silicium de cette coque et du substrat 40 et diffuse dans ces éléments, et l'hydrogène, qui a atteint la surface, est dissocié et évacué si la pression ambiante est égale à Pl ou par exemple 0,133 Pa ou moins.

Par conséquent, le degré de vide égal par exemple à 0,133 Pa peut être maintenu à l'intérieur de la cavité 74.

On peut comprendre ce qui précède à partir d'un résultat obtenu lors de la mise en oeuvre d'un essai conforme au procédé mentionné précédemment dans le fait qu'on a obtenu une valeur égale à 3 x 104 ou plus, qui est le facteur Q du premier vibrateur 26A, correspondant à environ 0,133 Pa, pour la cavité 74 présente dans la coque 51.

Les figures 16(a) et 16(b) sont des schémas, illustrant une partie mOdifiée du procédé illustré sur les figures 14(a) à 14(c).

Le procédé reste le même jusqu'à la figure 14(a), puis passe à l'opération illustrée sur la figure 16(a).

Bien que l'orifice d'injection 48 soit formé au moyen d'une corrosion dans le procédé illustré sur la figure 14(a), le procédé illustré sur la figure 16(a) sert à fermer de façon étanche l'orifice d'injection 48.

Lors de ce procédé, on introduit de l'oxygène dans un intervalle formé par la quatrième couche épitaxiale 47 travaillant en tant que premier vibrateur 26A et la seconde couche épitaxiale 45 et le substrat en silicium 40, puis on ferme de façon étanche l'orifice d'injection 48 en déposant par pulvérisation du silicium amorphe, de manière à former une coque 75.

Ensuite, le procédé passe à la figure 16(b) pour l'extraction. Lors de cette opération, on place le transducteur de type vibrant incluant le corps vibrant sous vide à 900 'C ou plus, on oxyde la paroi intérieure de la cavité 74 au moyen de l'insertion d'oxygène dans cette cavité 74 au cours du procédé illustré sur la figure 16(a), ou on fait diffuser de l'oxygène dans le silicium de manière qu'il sorte partiellement de la surface du silicium, ce qui permet d'étager le degré de vide.

Conformément au procédé de fabrication de l'invention, décrit précédemment, on forme les vibrateurs d'un seul tenant avec le substrat en silicium en laissant subsister par rapport à ce dernier un intervalle prédéterminé, puis on crée un vide au moyen d'un procédé prédéterminé, ce qui permet de réaliser un transducteur de type vibrant, qui possède des caractéristiques supérieures de pression et de température.

La figure 17 représente une vue en coupe montrant la structure d'une partie principale du transducteur de type vibrant, dans lequel une tension initiale est appliquée au vibrateur.

Le corps vibrant est agencé de telle sorte qu'on fixe les extrémités opposées par exemple sur le substrat 40 en silicium de type n, on fixe le vibrateur 13 de type p moyennant la présence d'un intervalle prédéterminé par rapport au substrat 40 en dehors des extrémités opposées, le vibrateur étant recouvert par la coque en silicium 51 réalisée d'un seul tenant avec le substrat 40, la cavité 74 étant formée de ce fait en étant entourée par la coque. La cavité 74 conserve un vide interne.

Ensuite, on applique une pression de mesure Pm par exemple au diaphragme 25, et on mesure une fréquence de résonance d'un vibrateur 76, dont les extrémité opposées sont fixées au diaphragme 25, cette fréquence correspondant à une déformation apparaissant dans le vibrateur 76, ce qui permet d'obtenir la pression de mesure Pm.

Par ailleurs, avant qu'une tension initiale soit appliquée même à l'instant de la pression de mesure Pm est nulle, une déformation est provoquée dans le vibrateur 76 pour la pression de mesure Pm, qui n'est pas encore prete à être mesurée, et avant qu'une suppression de la tension initiale soit commandée, il peut également en résulter une dispersion de la sensibilité.

La description donnée ci-après concerne ce sujet.

La figure 18 représente une relation entre les rayons de liaison covalentes Ri de différentes impuretés et entre le rayon de liaison covalente Ri de chaque impureté et un rayon de liaison convalente Rsi du silicium. La figure 19 illustre une variation de la constante du réseau en fonction de la concentration en impuretés. Comme on le comprendra en regardant la figure 18, bien que le rayon de liaison covalente Rsi du silicium Si est égal à 0,117 nm, celui du phosphore (P) est égal à 0,11 nm et celui du bore (B) est égal à 0,088 nm, qui sont des valeurs assez faibles. Par conséquent, lorsqu'on injecte du bore ou du phosphore dans le silicium, la partie est soumise à une déformation de traction.C'est pourquoi, à partir de la figure 19 on voit que lorsque la concentration de bore est égale à 1020 cm-3 par exemple, la variation de la constante du réseau est égale à 2 x 20-4 nm et, étant donné que la constante du réseau du silicin est égale à 0,5431 nm, la déformation est égale à environ 10 x 10-4 (= 2 x 10-3/5,431). Pour une contrainte égale à 4 x 10-4 ou plus, le bord est injecté avec une concentration double, soit à 2 x lQ20. cm-3, puis une tension initiale égale à 8 x 10-4 est produite proportionnellement au degré d'injection. Par conséquent, on peut obtenir une tension initiale arbitraire à partir de l'injection d'une concentration arbitraire de bore.

Par conséquent, une tension initiale est appliquée au vibrateur 76 représenté sur la figure 17.

Pour la déformation inférieure à 4 x 10-4, la concentration de phosphore du substrat en silicium 40 de type n est accrue ou bien le vibrateur 76 est oxydé, ce qui entraîne une ségrégation du bore sur la surface du vibrateur, le bore pénétrant dans la pellicule d'oxyde, et, lorsqu'on élimine la pellicule d'oxyde en utilisant du Hf, la concentration de bore dans le vibrateur 76 diminue, ce qui permet de régler la déformation à 4 x 10-4 ou moins.

Alors, comme cela apparaît sur la figure 21, on suppose que la déformation n'apparaît presque pas pour une concentration de bore égale à 1017 cm-3 environ.

Les figures 20(a) à 20(g) sont des sal9ns strant une partie principale du procédé de fabrication du corps vibrant, qui constitue une partie principale du capteur de déformation du type vibrant, conforme à l'invention.

ta figure 20(a) représente l'état, dans lequel le renfoncement 43 est formé au moyen d'une corrosion avec du
HCl, dans le procédé mis en oeuvre sur les figures 9(a) et 9(b).

Ensuite, comme représenté sur la figure 20(b), on forme une concentration égale à. 1018 cm-3 de bore (type b) au moyen d'une croissance épitaxiale sélective dans le renfoncement 43, dans une atmosphère d'hydrogène H2 à 1050 C, ce qui permet d'obtenir la première couche épitaxiale 44. Ensuite, comme cela est illustré sur la figure 20(c), on soumet le bore (type p) réglé à une concentration de 1020 cm-3 dans une atmosphère d'hydrogène H2 à 1050 C à une croissance épitaxiale sélective sur la première couche épitaxiale 44, en formant de ce fait une seconde couche épitaxiale 77 agissant en tant que vibrateur 76.

Le rayon de liaison covalente du silicium est égal à 0,117 nm et celui du bore est égal à 0,088 nm et c'est pourquoi, si l'on injecte partiellement du bore dans le silicium, la zone concernée est soumise à une déformation de traction, qui est utilisée pour l'obtention d'une tension initiale nécessaire, au moyen du réglage de la densité de bore de la seconde couche épitaxiale 77 agissant en tant que vibrateur 76.

Ensuite, comme cela est représenté sur la figure 20(d), on forme une concentration de bore (type p) égale à' 1018 cm-3, à une croissance épitaxiale sélective sur la seconde couche épitaxiale 77 dans une atmosphère d'hydrogène
H2 à 10500C, ce qui permet d'obtenir la troisième couche épitaxiale 46.

En outre, comme représenté sur la figure 20(e), on forme une concentration de bore (type p) égale à 1020 cm-3 au moyen d'une croissance épitaxiale sélective sur la troisième couche épitaxiale 46 dans une atmosphère d'hydrogène
H2 à 1050-C, ce qui permet de former la quatrième couche épitaxiale 47.

La figure 20(f ! illustre un procédé de corrosion permettant d'éliminer la première couche épitaxiale 44 et la troisième couche épitaxiale 46 dans l'état où le'revêtement protecteur 41 en SiO2 a été éliminé (procédé non indiqué) au moyen d'une corrosion par du fluorure d'hydrogène HF après la mise en oeuvre de l'opération de croissance épitaxiale sélective illustrée sur la figure 20(e).

Bien que ceci ne soit pas représenté, on immerge l'ensemble dans une solution alcaline lors de cette opération de corrosion et on applique une tension impulsionnelle positive possédant une valeur maximale de 5 V et une fréquence de répétition de 0,04 Hz environ, au moyen de la source d'alimentation en énergie impulsionnelle à courant continu Ep, de sorte que le substrat en silicium 40 de type n est à un potentiel positif par rapport à la seconde couche épitaxiale 77 de type p.Etant donné qu'une pellicule insoluble est formée à la surface du substrat en silicium 40 de type n et de la quatrième couche épitaxiale 47, dans un état passif conformément à l'application de la tension, la vitesse de corrosion devient très faible pour la première couche épitaxiale 44 et pour la troisième couche épitaxiale 46, vitesse de corrosion qui est utilisée pour éliminer la première couche épitaxiale 44 et la troisième couche épitaxiale 46.En outre, lorsque la concentration de bore dopé est supérieure à 4 x 1019, la vitesse de corrosion est nettement réduite par rapport au cas normal où le silicium n'est pas dopé, et un tel phénomène est utilisé pour obtenir l'agencement dans lequel l'orifice d'injection 48 est partiellement forme1 et en outre un intervalle est établi entre le substrat en silicium 40 et la seconde couche épitaxiale 47 dans son ensemble, ce qui permet d'obtenir la seconde couche épitaxiale 77 comme représenté sur la figure 20(g).

La suite du procédé est la même que celle illustrée sur la figure 9(g) ou sur les figures 14(b) & 14(e). Une partie principale du corps vibrant représenté sur la figure 17 est formée au moyen d'un tel procédé.

Pour le réglage ultérieur d'une tension initiale du vibrateur 76, on règle une densité du phosphore dans le substrat en silicium 40 de type n par exemple, ce qui permet de régler la tension initiale sur une déformation relative du substrat 40 et de la seconde couche épitaxiale 77. Ou sinon, on peut réduire une tension initiale apparente en formant du silicium de type n de faible concentration au moyen d'une croissance épitaxiale du vibrateur 76, sur une épaisseur correcte. En outre, une oxydation thermique permet d'obtenir une déformation par compression dans une pellicule d'oxyde chaud, ce qui permet de régler la tension initiale apparente. En outre, on peut régler de façon analogue, la tension initiale au moyen d'un dépôt CVD, d'un dépôt par pulvérisation, d'un dépôt par évaporation ou selon un autre procédé.

On a indiqué que l'atome devant être injecté était du bore ou du phosphore pour décrire les formes de réalisation indiquées précédemment, mais l'invention ne s'y trouve pas nécessairement limitée. Le barreau vibrant n'est par conséquent pas limité uniquement au silicium.

Le capteur de déformation de type vibrant mentionné précédemment a été décrit dans le cas de l'application à une mesure de pression, mais peut s'appliquer de façon analogue à un capteur d'accélération, à un capteur de pression différentielle et autre.

Comme cela a été décrit concrètement plus haut, conformément à l'invention, on peut appliquer une tension initiale au barreau vibrant grâce à un agencement simple par rapport à l'art antérieur, et en outre on peut aisément régler la tension.

Ci-après, on va décrire de façon détaillée l'amplificateur représenté sur la figure 5.

Dans le transducteur de type vibrant de l'art antérieur, représenté sur la figure 4, étant donné que le vibrateur est agencé de manière à osciller dans un domaine non linéaire, la fréquence oscillatoire varie A partir d'une limitation de l'amplitude appliquée par exemple à une diode
Zener, et un agencement permettant de commander une tension de commande permet de modifier suffisamment fréquemment l'amplitude du vibrateur conformément à des conditions limites de la jonction avec un autre système résonnant ou avec un fluide de mesure, ce qui empêche la production d'une fréquence de résonance précise. Un tel problème peut être résolu grâce à l'utilisation de l'amplificateur représenté sur la figure 21.

La figure 21 représente le schéma d'un circuit montrant un agencement détaillé de l'amplificateur 39 représenté sur la figure 5.

La référence AMC1 désigne un circuit amplificateur dont les extrémités d'entrée (+), (-) sont raccordées aux extrémités de sortie 37,38 du corps vibrant 24. Alors, son extrémité de sortie est en outre raccordée à un circuit amplificateur AMC2 par l'intermédiaire de couplage C5 et sa tension de sortie est envoyée à une jonction J. Puis ce signal de sortie est envoyé à une sortie GAC de réglage du gain, par l'intermédiaire d'un circuit PHC de réglage de la phase.Le signal de sortie amplifié du circuit GAC de réglage du gain, après amplification dans son premier étage, est appliqué à une résistance R10, à un transistor à effet de champ Ql, à un circuit série formé d'un transformateur T, et une tension de sortie, dont l'amplitude est commandée, est envoyée à la borne de sortie 40 à partir d'un enroulement situé sur le côté secondaire du transformateur
T.

D'autre part, une tension Vj de la jonction J est envoyée à un circuit redresseur simple alternance HWR, est convertie en une tension continue E correspondant à l'amplitude de la tension Vj, puis est envoyée à une borne d'entrée d'inversion (-) d'un comparateur CMP. Une tension de référence VR est appliquée à une borne d'entrée non inverseuse (+) du comparateur CMP à partir d'un circuit ASC de réglage de 1'amplitude, et le comparateur CMP amplifie un écart entre la tension continue Ej et la tension de référence VR, applique, à partir de son extrémité de sortie, la tension différentielle à une grille du transistor à effet de champ Q1 et commande la valeur résistive présente entre le bras et la grille, ce qui permet de commander le courant envoyé au transformateur T.

Dans ces circuits, la phase est réglée au moyen d'un condensateur C6 et dsune résistance R17, et l'amplitude de la tension produite sur le côté sortie 40 est réglée au moyen d'une résistance R26
Dans l'agencement indiqué précédemment, lorsqu'une tension est appliquée au transformateur d'entrée 29 à partir de l'amplificateur 39, un courant i pénètre dans le premier vibrateur 26a à partir de la sortie et par conséquent le premier vibrateur 26a vibre . sous l'effet d'une force électromagnétique agissant avec un champ magnétique produit par l'aimant 17.La vibration agit sur le premier vibrateur 26B par l'intermédiaire du second vibrateur 27, mais, étant donné qu'un champ magnétique est appliqué au premier vibrateur 26B par l'aimant 17, une tension e est produite dans le premier vibrateur 26b et est envoyée à l'amplificateur 39 par l'intermédiaire du transformateur de sortie 36. L'amplificateur 39 amplifie la tension et produit la tension amplifiée sur sa borne de sortie 35.

La tension amplifiée est appliquée à nouveau au transformateur d'entrée 33 et est en outre appliquée au premier vibrateur 26A sous la forme d'une tension supérieure.

Sous l'effet de la répétition de ce qui précède, une boucle accouplant l'amplificateur 39 et le corps vibrant 24 entre en auto-oscillations. Si l'on règle le gain de la boucle à 1 Oil plus, l'auto-oscillation devient permanente.

Dans ce cas, l'amplitude de la tension de l'autre oscillation est réglée de manière à appliquer un decalage constant à la tension de référence VR. C'est-à-dire que, lorsque la tension continue E3 correspondant à la tension V de la jonction est élevée par rapport à la tension de référence VR, la résistance interne du transistor à effet de champ Q1 augmente au niveau d'une sortie du comparateur CMP, conformément à ces écarts, le courant envoyé au transformateur T est réduit et la tension appliquée à la borne de sortie 35 est réduite. Il en résulte que la tension appliquée au corps vibrant 24 est réduite et que la tension envoyée à l'amplificateur 39 est également réduite.

Au contraire, lorsque la tension continue Ej correspondant à la tension V3 aux bornes de la jonction est faible par rapport à la tension de référence VR, le fonctionnement est inverse.

Par conséquent, l'amplitude de l'oscillation agit de manière à coïncider avec la tension de référence VR dans la gamme d'un écart constant. L'écart est déterminé par la tension de sortie/le gain du comparateur CMP. Par conséquent, lorsque le gain du comparateur CMP est important, la valeur de l'écart peut être négligée, et l'amplitude du vibrateur devient égale à tous moments à la tension de référence V,.

Ci-après, on va décrire l'effet obtenu lorsque l'on utilise l'agencement de circuit représenté sur la figure 21, en se référant aux figures 22 et 23.

La figure 22 représente l'effet obtenu lorsqu'on utilise la configuration représentée sur la figure 21, et la figure 23 représente l'effet obtenu lorsqu'on utilise l'agencement du circuit de l'art antérieur, dans lequel le transistor à effet de champ Ql représenté sur la figure 21 est supprimé, pour l'établissement d'un court-circuit et dans lequel la force d'entraînement est maintenue constante (entraînement basé sur une tension d'alimentation constante). La portée est egale à lKgXcm2 dans tous les cas, l'axe des abscisses indique une pression et l'axe des ordonnées indique une valeur indexée.

Comme on le comprendra à partir de ces résultats, bien que la fluctuation soit égale à + 0,05 % environ, dans le cas de la figure 22, la fluctuation à + 0,25 max environ est indiquée dans le cas de la figure 23, ce qui fournit une amélioration correspondant à un facteur cinq environ.

Comme cela a été décrit concrètement précédemment, l'invention inclut la détection d'une amplitude de l'autooscillation à mi-chemin de l'amplificateur, une comparaison de l'amplitude détectée à une tension de référence préréglée, le réglage de moyens de commande du gain prévu dans l'étage arrière de manière que l'amplitude de l'autooscillation coïncide avec la tension de référence, ce qui permet de maintenir l'amplitude constante et ce à tous moments, sans qu'elle soit influencée par les conditions extérieures, la fréquence d'auto-oscillation ne subit aucune fluctuation et par conséquent il est possible de réaliser un transducteur de type vibrant de grande précision.

Comme cela a été décrit concrètement précédemment en référence aux formes de réalisation, l'invention permet d'obtenir les effet suivants.

(a) Conformément à u n e f o r m e de réalisation de l'invention, le corps vibrant est subdivisé en le premier vibrateur 26A utilisé pour l'excitation et le premier vibrateur 26B utilisé pour la détection d'une force électromotrice, et en outre des boucles des premiers vibrateurs 26A et 26B sont accouplées mécaniquement par le second vibrateur 27, ce qui permet d'obtenir un rapport d'atténuation de la composante d'excitation élevée (rapport signal/bruit) sans faire intervenir une composante de courant d'excitation, et par conséquent on peut réaliser un transducteur de type vibrant, dans lequel il est possible d'obtenir un signal de sortie à fréquence stable.

(b) Selon une carêctérintius particulière de î'invention,la direction d'un barreau vibrant est limitée en corrélation avec un axe du monocristal de silicium, ce qui permet d'obtenir un effet semblable à celui obtenu dans la première forme de réalisation.

(c) Selon une autre caractérlsitiue
de l'invention, tout d'abord, étant donné que le substrat, la seconde couche épitaxiale fonctionnant en tant que premier vibrateur et la coque sont formés d'un seul tenant, il n'est pas nécessaire de réunir le substrat à ia coque, et par conséquent il est possible d'éviter une instabilité due à la jonction. En second lieu, étant donné que le vibrateur peut être isolé de l'air par l'intermédiaire d'une structure simple, on peut aisément réaliser une miniaturisation. En troisième lieu, étant donné qu'on utilise une technique de traitement des semiconducteurs, il est possible d'obtenir aisément une position, une épaisseur et une forme précises pour le vibrateur et la coque.

(d) Selon encore une caractéristique
dans laquelle on limite l'entité de chaque partie intervenant dans le procédé de fabrication défini en (c) au moyen d'un mode de conduction, on obtient un effet semblable à ce qui est indiqué en (c).

(e) Selon encore une caractéristique le procédé de fabrication défini en (c) est appliqué à un procédé de fabrication par un corps vibrant en forme de H, ce qui permet de garantir également l'obtention d'un effet semblable au procédé de fabrication obtenu en (c) pour le corps en forme de H.

(f) Selon une autre car.adtiistiqus encore, on limite le procédé de fabrication défini en (c) à un procédé de fabrication pour la partie équivalente au vibrateur, à la partie correspondant à l'intervalle et à la coque, à une croissance épitaxiale, ce qui permet de garantir l'obtention 2'un effet semblable à ce qui est indiqué en (c).

(g) Selon encore une autre caractéristique, on peut obtenir en outre un meilleur rendement lors du procédé de fabrication défini en (d).

(h) Conformément à une autre caractéristique, le vibrateur est formé d'un seul tenant avec le substrat en silicium moyennant l'interposition d'un intervalle-prédéter- miné, et est maintenu sous vide d'une manière simple avec la mise en oeuvre d'un procédé prédéterminé, ce qui permet de réaliser un transducteur de type vibrant possédant des caractéristiques supérieures de pression et de température.

(i) Conformément à une caractéristique supplémentaire, le procédé inclut l'établissement d'une étanchéité dans l'atmosphère d'hydrogène, par rapport au vide utilisé dans le procédé de fabrication selon (h), ce qui permet d'cbtenir un effet semblable à ce qui est indiqué en (h).

(j) Conformément à une , autre carac
téristique, le procédé inclut l'établissement d'une étanchéité dans l'atmosphère d'hydrogène, par rapport au vide utilisé dans le procédé de fabrication selon (h), ce qui permet d'obtenir un effet semblable à ce qui est indiqué en (h) et en outre de fixer d'autres procédés de fabrication.

(k) Conformément à encore une autre caractéristique, on peut appliquer une tension initiale au vibrateur grâce à un agencement simple par rapport à l'art antérieur, et en outre on peut aisément régler cette tension.

(1) Conformément à une autre caractéristique, on peut appliquer une tension initiale au vibrateur en forme de H défini dans la seconde forme de réalisation et en outre on peut aisément régler la tension.

(m) Conformément à une dernière caractéristique, l'invention inclut la détection d'une amplitude de l'autooscillation à mi-distance de l'amplificateur, à comparer l'amplitude détectée à une tension de référence préréglée, à régler les moyens de commande du gain prévus dans l'étage amont de manière que l'amplitude coïncide avec la tension de référence, ce qui permet de maintenir l'amplitude constante, et par conséquent l'amplitude de l'oscillation est maintenue constante à tous moments sans être influencée par les conditions extérieures, la fréquence d'auto-oscillation ne présente aucune fluctuation et par conséquent il est possible de réaliser un transducteur de type vibrant de grande précision.

Claims (1)

1. REVENDICATION

   Transducteur de type vibrant servant à mesurer une grandeur physique associée à une déformation appliquée à des extrémités opposées d'un vibrateur en forme de barreau fixé sur un substrat en silicium, au moyen de la mesure de la fréquence de résonance du vibrateur, caractérisé en ce qu'une tension initiale prédéterminêe est appliquée au vibrateur grâce à l'implantation d'un autre atome possédant un rayon de liaison inférieur à celui de l'atome constituant ledit vibrateur.