FR2676539A1 - Capteur a membrane. - Google Patents

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Le Pesant Jean-Pierre
Pribat Didier
Charasse Marie-Noelle
Turpin Marc
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Thales SA
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Abstract

Capteur à membrane comportant une enceinte étanche (6) fermée par une membrane (1), et une fibre optique (4) aboutissant à l'intérieur de l'enceinte. La membrane est en matériau semiconducteur et sa fabrication est dérivée des technologies des semiconducteurs. Applications: Capteur de pression, de température de charge, de givre.

Description

CAPTEUR A MEMBRANE
L'invention concerne un capteur à membrane et plus particulièrement un capteur à membrane en matériau semiconducteur et à fibre optique.
Ce type de capteur est utilisable notamment pour des mesures de pression de fluide (gaz ou liquide) ou la détection de présence de givre. Ce capteur est un dispositif comportant principalement une membrane, réalisée dans une technologie de type semiconducteur, et une fibre optique de silice. I1 permet de détecter et de mesurer l'amplitude et la fréquence des mouvements de la membrane. Ce dispositif est un capteur intrinsèque passif (pas de connexions électriques), très compact (diamètre de un à quelques millimètres) et non intrusif (grande compatibilité physico-chimique, immunité aux interférences électromagnétiques ) .
I1 trouve une application à la mesure de pression et de température dans des environnements difficiles tels que réservoirs de carburant ou moteurs en aéronautique (agressivité chimique et/ou température) et à la détection de givre.
Certaines applications particulières, notamment en aéronautique, requièrent des caractéristiques très sévères de compatibilité en environnement agressif ou à haute température et sont soumises à des normes très strictes de fiabilité et de redondance.
Les mesures de paramètres tels que pression, présence de givre, etc... doivent être faites simultanément, en de nombreux points dont certains sont très éloignés du système central de traitement. Un réseau de capteurs multipoints répartis, compacts et de faible poids permettrait de fournir, au système central de conduite, les données qui lui sont nécessaires, avec une sécurité et une redondance améliorées par rapport aux conditions actuelles.
Dans l'aéronautique, l'acquisition de ces mesures devient d'autant plus difficile que les cellules des aéronefs modernes sont constituées de matériaux composites à moindre teneur métallique, par exemple des matériaux stratifiés, faits de couches de polymères renforcées de fibres de carbone, ce qui diminue la protection contre les parasites électromagnétiques (orages, etc...). Pour lutter contre cette difficulté, l'utilisation de dispositifs en optique guidée, non sensibles à ces effets, et de transmissions par fibres optiques revêt un intérêt particulièrement grand.
L'invention concerne donc un capteur à membrane, caractérisé en ce outil comporte une enceinte étanche fermée par une membrane et une fibre optique aboutissant à l'intérieur de l'enceinte.
Plus particulièrement, l'invention concerne un capteur caractérise en ce que la membrane est en matériau semiconducteur.
L'invention propose donc de détecter à l'aide d'une fibre optique les mouvements d'une membrane réalisée par une technologie de type semiconducteur, par exemple une membrane de silicium, ou d'arséniure de gallium, pour en mesurer l'amplitude et la fréquence de déplacement.
Dans l'une des applications visées par l'invention, la détection du déplacement de la membrane permet de mesurer la pression qui est la cause de ce déplacement (comme dans une capsule manométrique). Dans une autre application de l'invention, la mesure de la fréquence propre de vibration de la membrane permet d'en déterminer les variations de masse, dues par exemple à la présence de givre sur l'une de ses faces. Dans cette application, on peut associer à la membrane un moyen de mise en vibration, constitué par exemple d'une céramique piézoélectrique mince ou d'un polymère piézoélectrique et d'électrodes.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un capteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes
a) réalisation sur une plaquette d'une première couche destinée à réaliser la membrane, d'une deuxième couche destinée à déterminer l'épaisseur de la cavité du capteur, et d'une troisième couche destinée à permettre un scellement sur une autre couche
b) gravure dans la troisième et la deuxième couche d'une cavité dont les dimensions latérales correspondent aux dimensions de la cavité à obtenir
c) réalisation sur un substrat d'une quatrième couche destinée à être scellée à la troisième couche et gravure d'une empreinte ayant sensiblement les dimensions latérales de la cavité à obtenir
d) assemblage de la plaquette et du substrat par la troisième et la quatrième couches et chauffage de l'ensemble pour obtenir un scellement de ces deux couches
e) usinage de la plaquette
f) perçage d'un trou dans la face du substrat opposée à la membrane
g) mise en place et fixation d'une fibre dans le trou.
L'invention concerne aussi un procédé de réalisation d'un capteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes
a) réalisation sur la surface d'un substrat d'éléments en matériau semiconducteur oxydé
b) dépôt sur ladite surface du substrat et sur les éléments d'une couche d'un matériau semiconducteur polycristallin
c) perçage d'au moins un trou dans le substrat aboutissant dans l'élément;
d) dissolution de l'élément par le trou
e) mise en place d'une fibre optique dans le trou.
Enfin l'invention concerne un autre procédé de réalisation d'un capteur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes
a) réalisation sur une face d'un substrat d'une couche d'isolant et d'une couche de semiconducteur monocristallin
b) gravure dans la couche de semiconducteur monocristallin d'au moins un élément destiné à servir de membrane au capteur
c) perçage à travers le substrat d'un trou aboutissant dans l'élément;
d) dissolution d'au moins une partie du matériau de la couche d'isolant située sous l'élément et cela par l'intermédiaire du trou
e) mise en place d'une fibre optique dans ce trou.
Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaitront plus particulièrement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple et dans les figures annexées qui représentent
- la figure 1, un exemple de réalisation général du capteur selon l'invention;
- les figures 2a à 4c, un procédé de réalisation du capteur selon l'invention;
- les figures 5a à 51, un autre procédé de réalisation selon l'invention;
- les figures 6a à 6d, un autre procédé de réalisation selon l'invention;
- les figures 7 et 8, deux capteurs selon l'invention fonctionnant en détecteurs de masses.
En se reportant à la figure 1, on va donc tout d'abord décrire un exemple de réalisation général du capteur de l'invention. Ce capteur comporte une membrane 1 scellée à une monture 3 par un scellement 2. La membrane 1 et la monture 3 enferment une enceinte étanche 6.
La monture 3 possède une paroi 7 située en vis-à-vis avec la membrane 1. Une fibre optique 4 traverse cette paroi 7 et lui est scellée par un joint de scellement 5. Ce joint de scellement est accordé en dilatation d'une part à la monture d'autre part à la fibre. De préférence, ce joint de scellement est en un matériau identique à celui de la fibre et à celui de la monture. La fibre optique 4 possède un axe XX' qui est situé sensiblement perpendiculairement au plan de la membrane 1.
La face intérieure 8 de la membrane 1 est réfléchissante soit par nature, soit par un traitement (dépôt) approprié, de façon à pouvoir renvoyer vers la fibre optique un signal lumineux transporté par cette fibre elle-même, après un trajet de faible longueur dans la cavité fermée par la membrane.
L'extrémité de la fibre optique est polie et éventuellement traitée, pour avoir une réflectivité appropriée, de façon à ce que l'ensemble membrane-fibre optique constitue une cavité optique, selon le sens de ce terme pour l'homme de l'art.
Le dispositif ainsi réalisé permet de mesurer des retards de phase d'une onde lumineuse, engendrés dans la cavité par les déplacements de la membrane. On peut ainsi en particulier diviser ces retards de phase pour obtenir des interférences entre ondes dans un mode interférométrique de type Fabry-Pérot.
Le signal optique venant de la cavité, renvoyé dans la fibre optique vers le détecteur, permet, après analyse, de mesurer, à des distances du capteur qui peuvent être très grandes, d'une part l'amplitude et d'autre part la fréquence de déplacement de la membrane.
Selon un exemple de réalisation préféré de l'invention la membrane 1 est en matériau semiconducteur.
Par exemple, la membrane 1 est en silicium, la monture 2 également, ce qui permet un scellement aisé de la membrane 1 sur la monture 2. De plus, en prévoyant la monture 2 en silicium, le montage de la fibre 4 (en silice) permettra d'obtenir un dispositif dont les divers éléments sont accordés en dilatation.
La membrane, consitutée par exemple de silicium, peut être fabriquée par diverses techniques connues dans la technologie des semiconducteurs, notamment l'amincissement physico-chimique et la croissance latérale. L'avantage est alors l'obtention de membranes très minces, directement solidaires de leur support, sans besoin de reprise ou de fixation ultérieure, dont la qualité, la pureté et les caractéristiques peuvent être maîtrisées avec une grande précision. Ces membranes peuvent supporter des environnements chimiquement agressifs (huiles, kérozène, etc...) et des températures de plusieurs centaines de degrés Celsius, ce qui rend possible leur utilisation dans des applications telles que l'aéronautique (réservoirs, moteurs, etc. . . ) ou l'automobile.
Un support 9 de la membrane peut être prévu et être lui-même fixé de façon étanche à la monture 3 qui peut être constituée du même matériau (silicium par exemple) de façon à avoir les mêmes caractéristiques physico-chimiques (dilatation, inertie chimique, etc...) et à pouvoir réaliser entre ces deux éléments un scellement de haute qualité pouvant supporter plusieurs centaines degrés Celsius. Cette possibilité de choix de matériau ouvre l'accès à des valeurs de coefficient de dilatation très proches de celles de la fibre optique de silice.
Comme cela a été mentionné précédemment, la monture comporte un orifice dans lequel est introduite la fibre optique, de façon à ce que son axe longitudinal soit perpendiculaire au plan de la membrane. La fibre optique est "soudée" à la monture par un matériau de type verre frittable dont le coefficient de dilatation est choisi pour être le plus voisin possible de celui de la fibre optique de silice et de celui de la monture.
Le capteur de la figure 1 peut donc être utilisé comme capteur de pression.
Selon un autre type de capteur, on associe à la membrane un dispositif de mise en vibration (figure 7). Ce dispositif est par exemple un transducteur piézoélectrique 60 associé à la membrane. Ce dispositif piézoélectrique, commandé par des moyens non représentés, permet d'induire des vibrations dans la membrane. Un dépôt, tel du givre, sur la membrane est détecté par une variation de la fréquence de vibration. Le capteur détecte alors une variation de masse de la membrane.
Dans le cas ou la membrane est en matériau piézoélectrique, on réalise à sa surface des électrodes d'excitation 61, 62 qui induiront un effet piézoélectrique sous l'application d'une tension électrique (figure 8). Le capteur fonctionnera alors comme celui de la figure 7.
Le capteur de l'invention peut également fonctionner en capteur de température. Dans ce cas, la membrane 1 est par exemple en matériau III-V, à bande interdite directe. Elle est fabriquée par l'un des procédés décrits ci-après.
La source d'excitation émettant un faisceau lumineux dans la fibre 6 est une diode électro-luminescente (DEL) émettant à une longueur d'onde très proche du gap.
Le coefficient de réflexion de la lumière sur la membrane 1 dépend de la température de la membrane car la bande interdite se déplace sous l'effet de la température.
L'intensité réfléchie permet donc de connaître la température de la membrane. Le capteur de l'invention permet donc simultanément une mesure de pression et une mesure de température.
Exemple de réalisation membrane en arséniure de gallium (As Ga).
En se reportant aux figures 2a à 4c, on va maintenant décrire un procédé de réalisation du capteur à membrane selon l'invention.
On utilise une technique de collage, suivie d'un procédé d'amincissement contrôlé, ceci afin de réaliser la membrane.
Selon ce procédé, deux substrats sont employés, l'un par exemple en silicium, d'orientation quelconque, qui servira de support de fibre optique, l'autre en silicium, d'orientation (100) et fortement dopé p. Ce dernier (ci-après dénommé "plaquette" ), sera utilisé pour la fabrication de la membrane proprement dite.
En se reportant aux figures 2a à 2e, on va tout d'abord décrire un procédé de réalisation de la membrane 1 à partir de la plaquette.
On part d'une plaquette 11 en silicium de type p fortement dopée, d'orientation (100) amincie typiquement à environ 100 ,um et polie sur ses deux faces (figure 2a). On effectue une diffusion n ou une épitaxie n uniforme sur l'une des faces (figure 2b). La couche 12 diffusée ou épitaxiée servira de couche d'arrêt lors de l'opération ultérieure d'amincissement. L'épaisseur de cette couche 12 sera adaptée en fonction des propriétés mécaniques désirées de la membrane.
On dépose ensuite (ou l'on obtient éventuellement par oxydation dans le cas de Six2) une couche intercalaire 13 (figure 2c) qui servira à définir l'intervalle entre la membrane et le substrat support de fibre optique c'est-à-dire l'épaisseur de la cavité 6. Typiquement la couche 13 est réalisée en SiO2 ou en Si3N4, ceci bien sûr n'étant pas limitatif. Son épaisseur est typiquement comprise entre 0,1 et 10 ,um par exemple.
On dépose ensuite (figure 2d) une mince couche 14 de Si02 (0,1 Cun par exemple) qui servira à effectuer le "collage" (par fusion) de la membrane sur le substrat support de fibre optique. Si la couche intercalaire est elle-même en Si02, cette opération est bien sûr inutile.
Comme représenté en figure 2e, on grave la cavité qui va définir la ou les dimensions latérales de la cavité 6 et des parties utiles de la membrane. Cette opération est effectuée à l'aide d'une technique photolitographique classique, suivie d'une opération de gravure chimique ou bien de gravure ionique réactive (RIE) dans un plasma approprié.
En se reportant aux figures 3a et 3b on va décrire la réalisation de la monture 3.
On oxyde un second substrat 30 de Si par exemple sur une épaisseur typique de 0,1 Cun (figure 3a). Dans la couche 31 oxydée, on grave une empreinte 32 correspondant sensiblement à la cavité gravée lors de l'étape représentée en figure 2e.
On superpose ensuite par leurs couches 14 et 31 la plaquette de la figure 2e et le substrat de la figure 3b comme indiqué sur la figure 4a. On effectue ensuite un recuit sous atmosphère oxydante à haute température (de l'ordre de 1000 à 11000 C) de façon à réaliser un mixage des deux couches 14 et 31 de SiO2 et donc un "collage" de la plaquette sur le substrat.
Cette technique est connue de l'homme de l'art sous la dénomination "Silicon Direct Bonding" (SDB) et l'on pourra facilement trouver d'autres variantes de collage.
On amincit ensuite la plaquette 11 par attaque chimique ou électrochimique. L'attaque s'arrête automatiquement à la couche 12 à cause de la différence de dopage (figure 4b).
On perce ensuite le substrat 30 en silicium (figure 4c) de façon à réaliser une ouverture de passage 9 pour la fibre. Cette opération peut s'effectuer par usinage ionique réactif (RIE) en utilisant un plasma approprié ou par perçage laser. Cette opération de perçage peut également être réalisée avant l'assemblage de la figure 4a.
Le perçage et l'assemblage étant réalisés il ne reste plus qu'à placer la fibre 4 dans le passage 9 et la souder à l'aide d'un verre ou d'un émail pour obtenir le capteur de la figure 1.
Le scellement peut être effectué sous vide poussé si l'on veut mesurer des pressions absolues ou si la température de mesure est susceptible de varier.
En se reportant aux figures 5a à 5i on va maintenant décrire un autre mode de réalisation du capteur selon l'invention.
Ce procédé consiste à réaliser sur un substrat 30 en matériau semiconducteur une couche 33 de semiconducteur oxydé.
Dans cette couche 33 est gravé au moins un élément 34 ayant les dimensions de la cavité 6 du capteur à réaliser. A titre d'exemple cet élément 34 a une forme telle que représentée en figures 5c ou 5d.
L'ensemble est recouvert, par épitaxie par exemple, d'une couche 35 de semiconducteur polycristallin figures 5e et 5f.
La couche 35 est ensuite passivée (figure 5g).
Ensuite, un trou 36 est percé dans le substrat 30 pour aboutir dans l'élément 34 (figure 5h).
Enfin, (figure 5i) par gravure chimique (dissolution) on attaque le matériau de l'élément 34 en utilisant le trou 36 percé et prévu pour le passage de la fibre.
L'élément 34 ayant été dissout, la cavité du capteur est réalisée et il ne reste plus qu a monter la fibre et à la sceller.
En se reportant aux figures 6a à 6d, on va maintenant décrire un autre procédé de réalisation du capteur selon l'invention.
On utilise comme matériau de départ un substrat de type SOI (Silicon On Insulator), constitué de la façon représentée en figure 6a. Il comporte, sur un substrat 30 en semiconducteur, en silicium par exemple, une couche 37 de semiconducteur oxydé (SiO2) recouverte elle-même d'une couche 38 de semiconducteur monocristallin.
De tels substrats sont obtenus par recristallisation laser, implantation d'oxygène (SIMOX) ou d'azote, etc... et sont décrits dans les revues IEEE "Circuits and Devices Magazine"
Volumes 3 et 6, de Juillet et Novembre 1987.
On pourra utiliser une technique de croissance forcée telle que décrite dans les Demandes de Brevets français numéros 2 629 636 et 2 629 637 afin de réaliser le substrat SOI. Dans tous les cas, la membrane est en silicium monocristallin, ce qui peut présenter des avantages sur le cas précédent (avantages de type mécanique).
On grave et on oxyde superficiellement la couche de Si monocristallin comme représenté en figure 6b.
On grave le trou 36 servant de logement à la fibre (RIE ou laser) comme cela est représenté en figure 6c, ce qui conduit à la formation de la couche d'oxyde 39.
Enfin on attaque par le trou 36 la couche 37 (SiO2 ou le Si3N4) de façon contrôlée pour réaliser la cavité 41 (figure 6d).
Enfin comme précédemment la fibre est placée et scellée dans le trou 36.
Les avantages du capteur selon l'invention sont les suivants
- capteur intrinsèque en optique guidée complètement passif (insensibilité aux interférences électromagnétiques ; pas de risques d'étincelles)
- très faible encombrement, en particulier faible diamètre;
- compatibilité avec des environnements difficiles (agressivité chimique, température)
- déport aisé du traitement des signaux sur de grandes longueurs sans interférences avec l'environnement et sans perte d'amplitude (plusieurs dizaines ou centaines de mètres)
- grand nombre de capteurs possible, en réseau multiplexable.
Il est bien évident que la description qui précède n'a été faite qu'à titre d'exemple. D'autres variantes peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, les constitutions des couches de matériaux peuvent être différentes de celles indiquées, d'autres matériaux semiconducteurs ou d'autres types de dopages, par exemple, peuvent être utilisés.

Claims (12)

REVENDICATIONS
1. Capteur à membrane, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte étanche (6) fermée par une membrane (1) et une fibre optique (4) aboutissant à l'intérieur de l'enceinte.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (1) est en matériau semiconducteur.
3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane (1) est en silicium ou en arséniure de gallium.
4. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les parois de l'enceinte (6) sont en un même matériau que la membrane (1) et forment une seule pièce avec la membrane.
5. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane (1) est de forme plane et que la fibre optique (4) traverse perpendiculairement la paroi (7) de l'enceinte opposée à la membrane.
6, Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif piézoélectrique fixé à la membrane capable d'induire des vibrations dans la membrane.
7. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la membrane est en matériau piézoélectrique et qu'elle comporte des électrodes destinées à être connectées à une source de courant électrique alternatif de façon à pouvoir induire des contraintes mécaniques dans la membrane.
8. Procédé de réalisation d'un capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes
a) réalisation, sur une plaquette (11), d'une première couche (12) destinée à réaliser la membrane, d'une deuxième couche (13) destinée à déterminer l'épaisseur de la cavité (6) du capteur, et d'une troisième couche (14) destinée à permettre un scellement sur une autre couche
b) gravure dans la troisième et la deuxième couche d'une cavité dont les dimensions latérales correspondent aux dimensions de la cavité à obtenir
c) réalisation sur un substrat (30) d'une quatrième couche (31) destinée à être scellée à la troisième couche et gravure d'une empreinte (32) ayant sensiblement les dimensions latérales de la cavité à obtenir
d) assemblage de la plaquette et du substrat par la troisième et la quatrième couches (14, 31) et chauffage de l'ensemble pour obtenir un scellement de ces deux couches
e) usinage de la plaquette (11)
f) perçage d'un trou (9) dans la face du substrat (30) opposée à la membrane
g) mise en place et fixation d'une fibre (6) dans le trou (9).
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que
- la plaquette (11) est en silicium d'orientation (100) et fortement dopé d'un premier type,
- la première couche (12) est en silicium d'un deuxième type
- la deuxième couche (13) est en 5102 ou Si3N4
- la troisième couche (14) est en Sida ;
- le substrat (30) est en silicium;
- la quatrième couche est en Stol.
10. Procédé de réalisation d'un capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes
a) réalisation sur la surface d'un substrat (30) d'éléments (34) en matériau semiconducteur oxydé
b) dépôt sur ladite surface du substrat et sur les éléments (34) d'une couche d'un matériau semiconducteur polycristallin
c) perçage d'au moins un trou (36) dans le substrat (30) aboutissant dans l'élément (34)
d) dissolution de l'élément (34) par le trou (36)
e) mise en place d'une fibre optique dans le trou (36).
11. Procédé de réalisation d'un capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes
a) réalisation sur une face d'un substrat (30) d'une couche d'isolant (37) et d'une couche (38) de semiconducteur monocristallin ;
b) gravure dans la couche (38) de semiconducteur monocristallin d'au moins un élément destiné à servir de membrane au capteur
c) perçage à travers le substrat (30) d'un trou (36) aboutissant sur la couche (37)
d) dissolution d'au moins une partie du matériau de la couche (37) d'isolant située sous l'élément (38) et cela par l'intermédiaire du trou (36)
e) mise en place d'une fibre optique dans ce trou (36).
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8, 10 ou 11, caractérisé en ce que les matériaux utilisés sont à base de silicium.
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