FR2778745A1 - Capteur de grandeur dynamique a semiconducteur ayant des electrodes a structure de rahmen - Google Patents
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Abstract
Un accéléromètre à semiconducteur (11) est formé par micro-usinage sur un substrat SOI. Une unité mobile (12) comporte une partie de masse (15) et une électrode mobile (16) ayant une forme en peigne. Une paire d'électrodes fixes (17, 18) sont interdigitées avec l'électrode mobile. Un ensemble de trous traversants (31) sont formés dans les électrodes de façon que celles-ci aient une structure de Rahmen consistant en une série de cadres rectangulaires. Cette structure réduit la masse de chaque électrode et augmente sa résistance à une force de torsion et à une accélération orientée perpendiculairement à la direction de détection.
Description
CAPTEUR DE GRANDEUR DYNAMIQUE A SEMICONDUCTEUR
AYANT DES ELECTRODES A STRUCTURE DE RAHMEN
La présente invention concerne un capteur de grandeur dyna-
mique du type à semiconducteur, et elle concerne plus particulièrement un capteur à semiconducteur du type à condensateur différentiel, pou-
vant être utilisé comme un accéléromètre.
Dans un accéléromètre à semiconducteur 11, du type à conden-
sateur différentiel classique, comme représenté sur les figures 22 et 23, une partie de masse 15 et une électrode mobile en forme de peigne sont
formées de façon intégrée sur une couche de semiconducteur d'un subs-
trat semiconducteur (Si) 19, pour définir un élément mobile 12. Une paire d'électrodes fixes en forme de peigne, 17 et 18, sont également formées
sur le substrat semiconducteur 19 avec interposition d'une couche d'iso-
lant (SiO2) 21, de façon à faire face à l'électrode mobile 16. L'électrode mobile 16 et les électrodes fixes 17 et 18 sont mutuellement espacées et sont électriquement isolées par une tranchée formée dans le substrat semiconducteur 19, pour définir des condensateurs entre des surfaces de détection de ces électrodes qui se font face. L'élément mobile 12 est supporté à ses deux extrémités par le substrat semiconducteur 19 et il est mobile dans une direction axiale de cet élément mobile 12 (dans la direction haut-bas sur la figure 22) en réponse à l'accélération qui
s'exerce sur lui, ce qui a pour effet de changer la capacité entre l'élec-
trode mobile 16 et les électrodes fixes 17 et 18.
Dans cet accélérometre 11, les électrodes 16, 17 et 18 ont une forme de lame et elles ont des masses propres respectives. Il en résulte que les électrodes 16, 17 et 18 sont susceptibles d'être rompues par les masses propres respectives lorsqu'une accélération élevée est exercée dans une direction (direction haut-bas sur la figure 23) perpendiculaire à
la direction d'accélération à détecter (direction haut-bas sur la figure 22).
Si la largeur d'électrode est rétrécie pour réduire les masses propres respectives, la résistance mécanique des électrodes contre une force de
torsion sera diminuée.
En outre, dans cet accéléromètre 11, des condensateurs para- sites CP1, CP2 et CP3 sont formés en plus de condensateurs CS1 et CS3
entre l'électrode mobile 16 et les électrodes fixes 17 et 18, comme repré-
senté sur la figure 25. Plus précisément, les condensateurs CP1, CP2 et CP3 sont respectivement formés entre une partie de jonction 170 de I'électrode fixe 17 et le substrat 19, entre une partie de jonction 180 de l'électrode fixe 18 et le substrat 19 et entre l'électrode mobile 16 et le substrat 19. Les condensateurs CS1 et CS3 sont variables en réponse au
mouvement de l'élément mobile 12.
Les changements de capacité des condensateurs CS1 et CS2
occasionnés par l'accélération peuvent être détectés par un circuit à ca-
pacités commutées 10 connecté à des plages de connexion 28, 29 et 30
de l'accéléromètre 11, comme représenté sur la figure 25. Plus précisé-
ment, le circuit à capacités commutées 10 comprend un amplificateur AMP, un condensateur Cf et un interrupteur SW. Le circuit 10 est conçu
pour fonctionner de manière différentielle de façon à produire une ten-
sion de sortie Vo lorsque des tensions d'ondes porteuses CWV1 et CWV2 sont appliquées, comme représenté sur la figure 26. La tension de sortie Vo s'exprime de la façon suivante: Vo = [(CS1 - CS2) + (CP1 - CP2) x CP3] x V- Cf Tant que les capacités des condensateurs parasites CP1 et CP2 sont
mutuellement égales, la tension de sortie Vo varie exclusivement confor-
mément a des changements des capacités des condensateurs CS1 et CS2. Cependant, si la position de gravure du substrat 19 varie comme
indiqué par la ligne en pointillés sur la figure 24, le condensateur para-
site CP1 devient plus grand que le condensateur parasite CP2. Cette
différence dans les condensateurs parasites CP1 et CP2 produit une ten-
sion de décalage, qui est un écart de la tension de sortie Vo par rapport
à zéro, même lorsque aucune accélération n'est appliquée.
Un but de la présente invention est donc de procurer un capteur de grandeur dynamique à semiconducteur, qui soit léger et capable de
résister à des accélérations dans diverses directions.
Un autre but de la présente invention est de procurer un cap-
teur de grandeur dynamique à semiconducteur qui minimise des conden-
sateurs parasites de façon à réduire une tension de décalage.
Conformément à la présente invention, un accéléromètre à se-
miconducteur est formé par micro-usinage sur un substrat "silicium sur isolant", ou SOI. Un élément mobile comporte une partie de masse et une ' électrode mobile en forme de peigne, formées de façon intégrée. Une
paire d'électrodes fixes en forme de peigne sont disposées en porte-à-
faux et interdigitées avec l'électrode mobile de façon à faire face à cette
dernière. Lorsqu'une accélération est exercée dans la direction de détec-
tion d'accélération dans laquelle les électrodes se font face, la partie de masse se déplace en changeant la capacité entre l'électrode mobile et les électrodes fixes. Un ensemble de trous traversants sont formés dans les électrodes de façon que les électrodes aient une structure de
Rahmen, qui est un enchaînement en série de cadres rectangulaires.
Cette structure réduit la masse de chaque électrode, tout en augmentant la résistance mécanique à une force de torsion. Les électrodes sont moins susceptibles de se rompre sous l'effet d'une accélération exercée dans une direction perpendiculaire à la direction de détection normale, à
cause de la masse réduite.
Les électrodes sont connectées à un circuit à capacités com-
mutées, qui produit une tension de sortie correspondant aux change-
ments de capacités qui sont occasionnés par l'accélération. Pour réduire
un décalage de la tension de sortie, des parties de connexion des élec-
trodes fixes au circuit sont également formées avec une structure de
Rahmen, ou formées seulement sur un isolant du substrat SOI.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront
mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de
réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la des-
cription se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 est une vue en plan schématique d'un accéléromètre
a semiconducteur conforme à un premier mode de réalisation de la pré-
sente invention; La figure 2 est une coupe de l'accéléromètre selon la ligne II-II de la figure 1; La figure 3 est une vue en plan agrandie d'une électrode fixe et d'une électrode mobile du dispositif représenté sur la figure 1; La figure 4 est une vue en plan schématique d'une plage de connexion, qui est à comparer avec celle du dispositif représenté sur la figure 1; La figure 5 est une vue en plan schématique d'une plage de ' connexion du dispositif représenté sur la figure 1;
Les figures 6A et 6B sont des coupes schématiques de l'élec-
trode fixe et de l'électrode mobile du dispositif représenté sur la figure 1;
Les figures 7A et 7B sont des coupes schématiques d'une élec-
trode fixe et d'une électrode mobile à comparer avec celles représentées sur les figures 6A et 6B; La figure 8 est une vue en perspective schématique de chaque partie de doigt de l'électrode utilisée dans le dispositif représenté sur la figure 1;
La figure 9 est une représentation graphique montrant la rela-
tion entre la masse du doigt représenté sur la figure 8 et la déformation de celui-ci; La figure 10 est une vue en plan agrandie d'une électrode fixe et d'une électrode mobile d'un accéléromètre à semiconducteur conforme à une modification du premier mode de réalisation;
La figure 11 est une vue en plan agrandie d'un ressort d'un ac-
céléromètre à semiconducteur conforme à une modification du premier mode de réalisation;
La figure 12 est une vue en plan agrandie d'une plage de con-
nexion d'un accéléromètre à semiconducteur conforme à une modification du premier mode de réalisation;
La figure 13 est une vue en plan agrandie d'une plage de con-
nexion d'un autre accéléromètre à semiconducteur conforme à une modi-
fication du premier mode de réalisation; La figure 14 est une coupe schématique d'une électrode fixe et d'une électrode mobile d'un accéléromètre à semiconducteur conforme à une modification du premier mode de réalisation; La figure 15 est une coupe schématique d'une électrode fixe et d'une électrode mobile à comparer avec celles représentées sur la figure 14; La figure 16 est une vue en plan schématique montrant une
force électrostatique qui s'exerce entre les électrodes du dispositif con-
forme au premier mode de réalisation;
La figure 17 est une vue en plan schématique d'un accéléromè-
tre à semiconducteur conforme à une modification du premier mode de réalisation;
La figure 18 est une vue en plan schématique d'un accéléromè-
tre conforme à un second mode de réalisation de la présente invention; La figure 19 est une coupe de l'accéléromètre selon une ligne XIX-XIX sur la figure 18;
La figure 20 est une vue en plan schématique d'un accéléromè-
tre à semiconducteur conforme à un troisième mode de réalisation de la présente invention; La figure 21 est une coupe de l'accéléromètre selon une ligne XXI-XXI sur la figure 20;
La figure 22 est une vue en plan schématique d'un accéléromè-
tre à semiconducteur classique; La figure 23 est une coupe de l'accéléromètre classique selon une ligne XXIII-XXIII sur la figure 22; La figure 24 est une coupe de l'accéléromètre classique sur
laquelle sont représentés des condensateurs parasites et des condensa-
teurs variables; La figure 25 est un schéma de circuit électrique du dispositif classique représenté sur la figure 24; et
La figure 26 est un diagramme temporel montrant le fonction-
nement du circuit électrique du dispositif classique.
On décrira la présente invention en se référant à divers modes de réalisations et modifications dans l'ensemble desquels les éléments constitutifs identiques ou similaires sont désignés par des références
numériques identiques ou similaires.
Premier mode de réalisation
En se référant tout d'abord a la figure 1, on note qu'un accélé-
romètre a semiconducteur 11 est formé sur un substrat SOl en utilisant le
processus de fabrication de dispositifs à semiconducteur.
Un élément mobile 12 comporte des structures d'ancrage 13, des ressorts de forme rectangulaire 14 formés d'un seul tenant avec les structures d'ancrage 13 respectives, une partie de masse 15 formée d'un seul tenant avec les ressorts 14 et placée entre ces derniers, et une électrode mobile 16 en forme de peigne, formée d'un seul tenant avec la ' partie de masse 15. L'électrode mobile 16 comporte un ensemble de doigts parallèles s'étendant latéralement dans des directions opposées à partir de la partie de masse 15. Une paire d'électrodes fixes en forme de peigne, 17 et 18, sont placées sur les deux côtés latéraux de la partie de masse 15. Chacune des électrodes fixes 17 et 18 comprend un ensemble de doigts s'étendant latéralement entre les doigts de l'électrode mobile 16.
Comme représenté sur la figure 2, I'accéléromètre 11 est fabri-
quée à partir du substrat SOI, qui comprend une première couche de se-
miconducteur (Si) 19, une seconde couche de semiconducteur (Si) 20 et une couche d'isolant (SiO2) 21, à titre de couche de support. La première couche de semiconducteur 19 et la couche d'isolant 21 sont enlevées pour mettre à nu la seconde couche de semiconducteur 20 sur la zone dans laquelle l'élément mobile 12 et les électrodes fixes 17 et 18 sont formés. Dans la fabrication de l'accéléromètre 11, de l'aluminium (AI) est déposé en phase vapeur sur la surface supérieure du substrat SOI sur des parties de plages de connexion 25 à 27, pour former les parties
de plages de connexion d'électrodes 28 à 30. Après polissage de la sur-
face inférieure du substrat SOI, on accumule du SiN par plasma. Ensuite, on grave la pellicule de SiN obtenue par plasma, pour former un motif prédéterminé.
Ensuite, on dépose une pellicule de PIQ (polyimide) sur la sur-
face supérieure du substrat SOI, et on grave la pellicule de PIQ selon un
motif prédéterminé qui correspond à l'élément mobile 12 et aux électro-
des fixes 17 et 18. On dépose une couche de matière de réserve à titre de couche de protection sur la pellicule de PIQ. On attaque profondément
le substrat SOI, par exemple par une solution aqueuse de KOH, en utili-
sant à titre de masque la pellicule de SiN formée par plasma sur la face inférieure. Dans cette attaque profonde, la couche d'isolant 21 remplit la fonction d'un élément d'arrêt d'attaque, du fait que la vitesse d'attaque
de la couche d'isolant 21 est inférieure à celle de la couche de semicon-
ducteur consistant en Si.
Ensuite, après avoir enlevé la couche d'isolant 21 à nu et la pellicule de SiN formée par plasma, en employant une solution aqueuse
de HF, on enlève la matière de réserve qui recouvre la surface supé-
rieure du substrat SOI. On effectue une attaque par voie sèche de la se-
conde couche de semiconducteur 20 pour former des trous à travers
celle-ci, en utilisant la pellicule de PIQ à titre de masque. L'élément mo-
bile 12 et les électrodes fixes 17 et 18 sont ainsi formés dans la seconde couche de semiconducteur 20. Enfin, on enlève la pellicule de PIQ sur la
surface supérieure par calcination avec 02.
Dans l'accéléromètre 11 fabriqué comme indiqué ci-dessus, les deux extrémités axiales de l'élément mobile 12 sont supportées sur la couche d'isolant 21, et les électrodes fixes 17 et 18 sont montées en
porte-à-faux sur la couche d'isolant 21.
Un ensemble de trous traversants 31 sont formés dans l'élé-
ment mobile 12 et les électrodes fixes 17 et 18, de façon que l'élément
mobile 12 et les électrodes fixes 17 et 18 aient chacun une forme corres-
pondant à la structure de Rahmen (structure de cadre rigide). Cette
structure est un enchaînement en série d'un ensemble de cadres rectan-
gulaires. Les trous traversants 31 sont formés simultanément aux trous (tranchée) qui sont formés par attaque par voie sèche de la seconde couche de semiconducteur 20 pour former l'élément mobile 12 et les électrodes fixes 17 et 18. Chaque doigt de l'électrode mobile 16 est placé à la jonction entre deux cadres adjacents parmi les cadres rectangulaires
formant la partie de masse 15.
L'élément mobile 12 et les électrodes fixes 17 et 18 sont di-
mensionnés pour que les relations (1) à (4) suivantes soient satisfaites,
de façon que l'attaque pour la formation de tranchée puisse être effec-
tuée de manière précise. Dans les relations suivantes, les largeurs
(épaisseur de paroi de cadre) Wl à W4 et les largeurs (intervalle d'espa-
cement entre des parois de cadre) D1 à D5 sont définies comme repré-
senté sur la figure 3. Plus précisément, W1 à W4 et D1 à D5 sont défi-
nies de la façon suivante.
"Wl": largeur axiale de chaque paroi, s'étendant latéralement, des doigts des électrodes 16, 17 et 18;
"W2": largeur axiale de chaque paroi, s'étendant latéralement, de la par-
tie de masse 15 se trouvant à la jonction avec chaque doigt de l'électrode mobile 16;
' "W3": largeur latérale de chaque paroi, s'étendant axialement, de la par-
tie de masse 15; "W4": largeur latérale de chaque paroi, s'étendant axialement, des doigts des électrodes 16, 17 et 18; "Dl": largeur axiale de chaque trou traversant 31 dans les doigts des électrodes 16, 17 et 18; "D2": largeur axiale entre des surfaces en regard des doigts adjacents des électrodes 16, 17 et 18, les surfaces en regard étant destinées à la détection de changements de capacité entre elles; "D3" largeur latérale de chaque trou traversant 31 de la partie de masse
15;
"D4" largeur latérale entre la partie de masse 15 et chaque extrémité libre des électrodes fixes 17 et 18; et "D5": largeur axiale entre des surfaces en regard des doigts adjacents des électrodes 16, 17 et 18, les surfaces en regard n'étant pas destinées
à la détection de changements de capacité entre elles.
(1) W1 = W3 = W4
(2) D1 = D2 = D3
(3) D4= D5
(4) W2 =Wl x 2 + D1 Comme représenté sur la figure 3, les électrodes fixes 17 et 18 ont un ensemble de saillies 32 sur les surfaces de détection respectives qui font face aux surfaces de détection de l'électrode mobile 16. Les saillies 32 se trouvent seulement sur les surfaces à utiliser pour détecter
un changement de capacité en réponse au mouvement de l'électrode mo-
bile 16 par rapport aux électrodes fixes 17 et 18. Lorsque l'intervalle d'espacement entre l'électrode mobile 16 et les électrodes fixes 17 et 18 varie sous l'effet du mouvement de la partie de masse 15, lorsqu'elle est
soumise à l'accélération, I'électrode mobile 16 est susceptible de se col-
ler sur les électrodes fixes 17 et 18 à cause de la force électrostatique externe. Ce collage empêche la détection de changements de capacité qui correspondent à l'accélération appliquée. Cependant, les saillies 32 restreignent le collage de l'électrode mobile 15 sur les électrodes fixes 17 et 18. Les saillies 32 sont formées de préférence seulement sur les parties dans lesquelles des trous traversants 31 ne sont pas formés,
c'est-à-dire seulement sur les parties de jonction (largeur W4) des struc-
tures de cadres rectangulaires qui constituent les doigts des électrodes
fixes 17 et 18.
De façon similaire, comme représenté sur la figure 1, un en-
semble de saillies 33 sont formées sur la surface intérieure du ressort 14
pour restreindre le collage entre une paire de parties s'étendant latéra-
lement, à cause de la force électrostatique externe. Les saillies 33 sont
formées à la position de jonction (largeur W3) entre les cadres rectan-
gulaires dans la structure d'ancrage 13.
Les parties de plages de connexion 25 à 27 sont séparées phy-
siquement et électriquement par une paire de sillons 34, par rapport aux
parties environnantes qui sont constituées par la seconde couche de se-
miconducteur 20, de façon que les plages de connexion électriques 28 à
connectées aux électrodes 16, 17 et 18 correspondantes par l'inter-
médiaire de parties de connexion 170, 180 et autres, soient connectées
électriquement à un circuit de détection externe tel qu'un circuit à capa-
cités commutées 10, représenté sur la figure 25. Si un seul sillon 34 est
formé, comme représenté sur la figure 4, les parties de plages de con-
nexion 25 à 27 sont susceptibles d'être court-circuitées avec les parties environnantes dans le cas o un corps étranger conducteur, tel qu'une poussière conductrice, forme un pont sur le sillon 34. On peut éliminer ce problème de mise en court-circuit en élargissant le sillon 34. Cependant, cette largeur de sillon devient différente de l'autre largeur de sillon, ce
qui conduit a une complication du processus de fabrication et une réduc-
tion de la précision sur la taille du produit final. Par conséquent, dans ce mode de réalisation, deux sillons 34 sont formés pour définir une paroi surélevée 35 entre eux, comme représenté sur la figure 5, afin de réduire la possibilité de court-circuit entre les parties de plages de connexion 25
à 37 et les parties environnantes. Chaque sillon 34 peut donc être di-
mensionné avec la même largeur que les autres sillons (tranchée ou trou). Chacune des électrodes 16, 17 et 18 va en diminuant à partir ' de sa partie médiane vers le côté inférieur, comme indiqué en 36 sur la figure 6A. Ainsi, une capacité prédéterminée est établie entre les moitiés supérieures des surfaces de détection des électrodes 16, 17 et 18 qui se
font face, comme représenté par des lignes en pointillés. Si des enco-
ches 16a, 17a et 18a sont produites sur les surfaces allant en diminuant, comme représenté sur la figure 6B, au cours de la formation d'électrodes, la capacité prédéterminée (lignes en pointillés) est maintenue. Ceci vient du fait que les encoches 16a, 17a et 18a apparaîtront seulement sur les surfaces allant en diminuant. Au contraire, si les électrodes 16, 17 et 18 n'ont pas une forme allant en diminuant, comme représenté sur la figure 7A, la capacité (ligne en pointillés) est susceptible de diminuer à cause des encoches 16a, 17a et 18a apparaissant dans les moitiés inférieures
des électrodes 16, 17 et 18, comme représenté sur la figure 7B. Ces en-
coches varieront d'une tranche à une autre et d'une puce à une autre, en
occasionnant une irrégularité de capacité parmi les produits finals.
L'accéléromètre à semiconducteur 11 ci-dessus est de préfé-
rence dimensionné de la façon suivante: (1) Largeur de la structure d'ancrage 13 et de la partie de masse 15 = - 200 plm; (2) Longueur des électrodes 15, 16 et 17 = 100 - 500 jlm; (3) Largeur du ressort 14 = 2 10 Fm; (4) Longueur du ressort 14 = 100 - 500 plm; et (5) Ecartement entre l'électrode 16 et les électrodes 17 et 18 = 2 - 4 plim
En fonctionnement, lorsque l'accélération est exercée sur l'élé-
ment mobile 12 dans la direction de détection d'accélération (X sur la fi-
gure 1), c'est-à-dire dans la direction axiale dans laquelle l'électrode mo-
bile 16 fait face aux électrodes fixes 17 et 18, l'un des intervalles d'espa-
cement entre les surfaces de détection de l'électrode mobile 16 et des électrodes fixes 17 et 18 augmente, et l'autre intervalle d'espacement entre les surfaces de détection de l'électrode mobile 16 et des électrodes fixes 17 et 18 diminue. Du fait que ces surfaces de détection forment des
condensateurs, la capacité respective change en réponse a l'accélera-
tion. Ces changements sont détectés par exemple par le circuit a capa-
cités commutées 10 représenté sur la figure 25.
Dans le cas o une accélération est exercée sur l'élément mo-
bile 12 dans une direction (direction haut-bas sur la figure 2) perpendi-
culaire a la direction de détection normale (X), l'élément mobile 12 et les
doigts des électrodes fixes 17 et 18 sont moins susceptibles de se rom-
pre, du fait que l'élément mobile 12 et les électrodes fixes 17 et 18 sont fabriqués avec une faible masse par l'utilisation de la structure de
Rahmen.
Plus précisément, dans le cas o une barre représentée sur la
figure 8 est déformée, la déformation de la barre et la contrainte maxi-
male qui s'exerce sur la barre s'expriment de la façon suivante.
Déformation = (accélération x masse) -
(constante d'élasticité dans la direction de déformation) Contrainte maximale = 2 x (module d'Young) x (T ou W) x (déformation de la barre) L2 Il en résulte que, comme représenté sur la figure 9, la déformation de la barre et la contrainte maximale augmentent lorsque la masse de la barre augmente. Dans le cas de l'élément mobile 12 supporté de façon fixe aux deux extrémités et des électrodes fixes 17 et 18 supportées de façon fixe
à une seule extrémité, l'influence de l'accélération s'exerçant dans la di-
rection perpendiculaire a la direction de détection normale est d'autant plus réduite que la masse est plus faible. Par conséquent, la structure de Rahmen est effective pour réduire la masse de l'élément mobile 12 et des électrodes fixes 17 et 18, pour obtenir une moindre déformation et une
moindre contrainte, sans diminuer la résistance à la force de torsion.
Les largeurs des parois des cadres rectangulaires et l'intervalle d'espacement entre les parois des cadres de l'élément mobile 12 et des électrodes fixes 17 et 18 sont dimensionnes de la façon la plus uniforme
possible. Par conséquent, des variations de taille des éléments constitu-
tifs peuvent être réduites à un minimum, et les produits finals peuvent
avoir une qualité uniforme.
Du fait que la structure d'ancrage 13 et la partie de masse 15 sont réalisées de façon a avoir la même structure de Rahmen que dans les électrodes 16, 17 et 18, la taille à l'état fini, après attaque, peut être maintenue uniformément pour donner une qualité uniforme à des produits finis. De plus, du fait que les doigts de l'électrode mobile 16 sont joints à la position de jonction des cadres rectangulaires dans la partie de masse , c'est-à-dire qu'il sont joints à la partie la plus rigide de la partie de
masse 15, il est possible de faire en sorte que l'électrode mobile 16 con-
serve sa résistance à l'accélération exercée dans la direction perpendi-
culaire à la direction de détection normale.
Modification
Les électrodes 16, 17 et 18 peuvent être formées avec des par-
ties de renfort 16b, 17b et 18b de forme courbe aux racines respectives des doigts, comme représenté sur la figure 10. Ces parties de renfort
16a, 17a et 18a renforcent la jonction des doigts pour restreindre la rup-
ture des doigts, même lorsqu'une contrainte se concentre dans les par-
ties de racine en réponse à une accélération exercée dans la direction
perpendiculaire à la direction de détection normale.
De façon similaire, le ressort 14 peut être joint à la structure d'ancrage 13 et à la partie de masse 15 par l'intermédiaire de parties de renfort courbes 14a, comme représenté sur la figure 11. Ces parties de renfort 14a s'opposent à une rupture du ressort 14 lorsqu'une contrainte
se concentre dans la partie de jonction. En outre, les extrémités du res-
sort 14 peuvent être formées avec une forme courbe pour s'opposer à la rupture du ressort 14 lorsqu'une contrainte se concentre aux extrémités à
cause d'une flexion élastique du ressort 14.
La paroi surélevée 35 entourée par les sillons 34 formés autour des parties de plages de connexion 25 à 27, peut être coupée de façon
dynamique et électrique à un emplacement, comme représenté sur la fi-
gure 12, ou à un ensemble d'emplacements, comme représenté sur la fi-
gure 13. Ces coupures peuvent réduire considérablement la possibilité de mise en court-circuit électrique entre les parties de plages de connexion
a 27 et les parties qui les entourent (seconde couche de semicon-
ducteur 20), même lorsque la paroi surélevée 35 est connectée à la par-
tie qui l'entoure par l'intermédiaire d'une poussière conductrice, et éga-
lement aux parties de plages de connexion 25 à 27 par l'intermédiaire
d'une autre poussière conductrice.
En outre, les électrodes 16, 17 et 18 peuvent avoir une forme allant en diminuant à la fois du côté supérieur et du côté inférieur, comme représenté sur la figure 14. Selon une variante, les coins des 'électrodes 16, 17 et 18 peuvent être arrondis comme représenté sur la figure 15. Les coins arrondis réduiront l'influence occasionnée par des
encoches et restreindront la concentration de contraintes, même lors-
qu'une accélération est exercée sur les électrodes 16, 17 et 18.
Dans le premier mode de réalisation, la force électrostatique s'exerce entre l'électrode mobile 16 et les électrodes fixes 17 et 18 dans des directions opposées, comme représenté par des flèches sur la figure 16. Cette force électrostatique produit un moment qui tend à faire tourner
l'élément mobile 12 en sens d'horloge. Par conséquent, l'intervalle d'es-
pacement entre les surfaces de détection de capacité entre l'électrode mobile 16 et les électrodes fixes 17 et 18 est susceptible de s'écarter de l'intervalle d'espacement d'origine, ce qui conduit a une diminution de la
précision de la détection d'accélération. Il est donc préférable d'incorpo-
rer quatre électrodes fixes 171, 172, 173 et 174, comme représenté sur la figure 17, de façon que la force électrostatique qui s'exerce entre l'électrode mobile 16 et les électrodes fixes 171 et 181 s'équilibre avec la
force électrostatique qui s'exerce entre l'électrode mobile 16 et les élec-
trodes fixes 172 et 182. Ainsi, le moment qui s'exerce pour faire tourner
l'élément mobile 12 est restreint.
Le matériau utilisé pour le corps structural de l'accéléromètre
peut être du silicium monocristallin, du silicium polycristallin ou un métal.
En outre, on peut utiliser un matériau non conducteur, comme une céra-
mique, un verre, un cristal ou une résine pour le corps structural, à con-
dition qu'un matériau conducteur soit déposé sur lui en phase vapeur.
Dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'avoir la structure SOl, à condition
que le matériau pour le corps structural ait une propriété d'isolation.
* Second mode de réalisation Dans ce mode de réalisation, comme représenté sur les figures 18 et 19, en plus du fait que les doigts de l'électrode mobile 16 et des électrodes fixes 17 et 18 sont réalisés avec une structure de Rahmen, des parties de jonction 170 et 180 reliant les électrodes fixes 17 et 18 aux plages de connexion 29 et 30 sont également réalisées avec une
structure de Rahmen au moyen d'un ensemble de trous traversants 31.
Conformément à ce mode de réalisation, la capacité des con-
densateurs parasites CP1, CP2 et CP3 qui apparaissent comme repré-
' sente sur la figure 24 peut être réduite à une valeur plus faible que dans
le dispositif classique (figure 22). Par conséquent, lorsque cet accéléro-
mètre 11 est connecté au circuit à capacités commutées 10 comme re-
présenté sur la figure 25, le décalage de la tension de sortie Vo qui est produite par le condensateur à capacités commutées 10 est réduit même lorsque l'attaque du côté inférieur de la couche de semiconducteur 21
varie dans le processus de fabrication.
Troisième mode de réalisation Dans ce mode de réalisation, comme représenté sur les figures et 21, la première couche de semiconducteur 19 et la couche d'isolant 21 ont des extrémités intérieures respectives 19a et 21a à une position située au-dessous des électrodes fixes 17 et 18. Ainsi, les parties de jonction 170 et 180 sont formées seulement sur la couche d'isolant 21. Il en résulte que la capacité des condensateurs parasites CP1, CP2 et CP3 qui apparaissent comme représenté sur la figure 24, peut être réduite
davantage que dans le second mode de réalisation.
Lorsque cet accéléromètre 11 est connecté au dispositif à ca-
pacités commutées comme représenté sur la figure 25, l'accélération dé-
tectée est représentée par la tension de sortie Vo qui s'exprime de la fa-
çon suivante: Vo = [(CS1 - CS2) + (CP1 - CP2) x CP3] x V - Cf Du fait que le terme (CP1 - CP2) x CP3 est également réduit à cause de
la réduction de la capacité des condensateurs parasites, le décalage ré-
sultant de la tension de sortie Vo qui est produite par le circuit à capaci-
tés commutées 10 est réduit même lorsque l'attaque du côté inférieur de
la couche de semiconducteur 21 varie dans le processus de fabrication.
Il faut noter que les modifications ci-dessus du premier mode de réalisation peuvent également être appliquées aux second et troisième modes de réalisation.
En outre, il faut noter que la présente invention peut être appli-
quée à d'autres capteurs de grandeurs dynamiques, comme un capteur
de vitesse de rotation de lacet et un capteur de vitesse angulaire. En ou-
tre, la présente invention peut être appliquée à un capteur de pression à ' semiconducteur de type capacitif, qui comporte une membrane à titre de corps structural de détection et utilise la membrane comme une électrode mobile. De plus, la présente invention peut être appliquée à un capteur du type à contact, qui détecte la fermeture et l'ouverture d'un contact
entre une électrode mobile et une électrode fixe.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être ap-
portées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'inven-
tion.
Claims (23)
1. Capteur à semiconducteur, comprenant: un substrat semi-
conducteur (19, 20, 21); un élément mobile (12) supporté sur le substrat semiconducteur, et ayant une partie de masse (15) pouvant se déplacer en réponse à une force dynamique qui s'exerce sur elle, et une électrode mobile (16) formée d'un seul tenant avec la partie de masse et ayant une
surface de détection; et une électrode fixe (17, 18) montée en porte-à-
faux sur le substrat semiconducteur et ayant une surface de détection qui fait face à la surface de détection de l'électrode mobile; caractérisé en ce ' que l'électrode mobile (16) et l'électrode fixe (17, 18) sont réalisées avec
une structure de Rahmen qui comprend une série d'un ensemble de ca-
dres rectangulaires.
2. Capteur à semiconducteur selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que la partie de masse (15) est réalisée avec la structure de
Rahmen.
3. Capteur à semiconducteur selon la revendication 1 ou 2, ca-
ractérisé en ce que l'élément mobile (12) comporte en outre une structure
d'ancrage (13) qui relie la partie de masse (15) au substrat semiconduc-
teur (19, 20, 21) et qui est réalisée avec la structure de Rahmen.
4. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des reven-
dications 1 à 3, caractérisé en ce que l'électrode mobile (16) est jointe à
la partie de masse (15) à une position à laquelle les cadres rectangulai-
res de la partie de masse sont joints.
5. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des reven-
dications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: une saillie (32) formée sur au moins une électrode parmi l'électrode mobile (16) et
l'électrode fixe (17, 18) pour s'opposer au collage entre l'électrode mo-
bile et l'électrode fixe, la saillie étant placée à une position à laquelle les
cadres rectangulaires sont joints.
6. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des reven-
dications 1 à 5 caractérisé en ce que l'élément mobile (12) comporte en outre un ressort (14) qui supporte la partie de masse (15); et le ressort
(14) comporte une saillie (32) à une position à laquelle des cadres rec-
tangulaires de la partie de masse sont joints.
7. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des reven-
dications 1 a 6, caractérisé en ce que l'électrode mobile (16) et l'élec-
trode fixe (17, 18) ont des parties (36) allant en diminuant.
8. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des reven-
dications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des plages de connexion (28, 29, 30) formées sur le substrat semiconducteur (19, 20, 21) et connectées électriquement à l'électrode mobile (16) et à l'électrode fixe (17, 18), les plages de connexion étant entourées par plusieurs
sillons (34) pour être électriquement isolées des parties environnantes.
9. Capteur à semiconducteur selon la revendication 8, caracté-
' risé en ce qu'il comprend en outre une paroi surélevée (35) formée entre
les sillons (34) et qui comporte une partie discontinue.
10. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des re-
vendications 1 à 9, caractérisé en ce que les cadres rectangulaires de la structure de Rahmen de la partie de masse (15) et de l'électrode fixe (17,
18) ont une épaisseur de paroi uniforme (W1, W3, W4) ou un espace-
ment (D1, D2, D3) entre parois uniforme.
11. Capteur à semiconducteur selon la revendication 10, ca-
ractérisé en ce que la partie de masse (15) a une épaisseur de paroi (W2) différente de l'épaisseur de paroi uniforme à une position à laquelle
I'électrode mobile (16) est jointe.
12. Capteur à semiconducteur selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'électrode fixe (17, 18) a un premier espacement (D2) par rapport à la surface de détection de l'électrode mobile (16) et un second espacement (D5) par rapport à une surface de non-détection de
I'électrode mobile (16), le premier espacement (D2) et le second espace-
ment (D5) étant différents l'un de l'autre.
13. Capteur à semiconducteur selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'électrode fixe (17, 18) a un premier espacement (D4) par rapport à la partie de masse (15) et un second espacement (D5) par rapport à une surface de non-détection de l'électrode mobile (16), le
premier espacement (D2) et le second espacement (D5) étant mutuelle-
ment égaux.
14. Capteur à semiconducteur selon la revendication 11, ca-
ractérisé en ce que l'épaisseur de paroi (W2) de la partie de masse (15)
est égale à une largeur totale de chaque cadre rectangulaire de l'élec-
trode mobile (16) et de l'électrode fixe (17).
15. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des re-
vendications 10 à 14, caractérisé en ce que des largeurs totales de cha-
que cadre rectangulaire de l'électrode mobile (16) et de l'électrode fixe (17) sont mutuellement égales.
16. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des re-
vendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'au moins une électrode parmi l'électrode mobile (16) et l'électrode fixe (17, 18) a une partie de renfort
(16b, 17b, 18b) à des parties de jonction respectives.
17. Capteur à semiconducteur selon la revendication 6, caracté-
risé en ce que le ressort (14) a une partie de renfort (14a) à une partie
de jonction avec des parties adjacentes.
18. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des re-
vendications 1 à 17, caractérisé en ce que le substrat semiconducteur (19, 20, 21) est un substrat du type silicium sur isolant (SOI) qui a une
première couche de semiconducteur (19), une seconde couche de semi-
conducteur (20) et une couche d'isolant (21) entre la première couche de semiconducteur et la seconde couche de semiconducteur; et l'électrode
mobile (16) et l'électrode fixe (17, 18) sont formées à partir de la se-
conde couche de semiconducteur (20), avec enlèvement de la première couche de semiconducteur (19) et de la couche d'isolant (21) au-dessous
de l'électrode mobile (16) et de l'électrode fixe (17, 18).
19. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des re-
vendications 1 à 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une partie de jonction jointe à l'électrode fixe et réalisée avec la structure de Rahmen.
20. Capteur à semiconducteur selon l'une quelconque des re-
vendications 1 à 18, comprenant en outre une partie de jonction jointe à l'électrode fixe et formée seulement sur le substrat semiconducteur, pour
réduire une capacité parasite.
21. Capteur à semiconducteur comprenant: un substrat semi-
conducteur (19, 20, 21); une électrode fixe (17, 18) supportée de façon fixe sur le substrat semiconducteur à une extrémité de celle-ci, et formant un condensateur parasite (CP1, CP2) avec le substrat semiconducteur; et
une électrode mobile (16) supportée de façon mobile sur le substrat se-
miconducteur et formant un condensateur variable (CS1, CS2) avec l'électrode fixe, caractérisé en ce que l'électrode fixe (17, 18) comporte un trou traversant (31) qui s'étend à partir d'une région située au-dessus
de substrat semiconducteur, jusqu'à une extrémité libre de cette élec-
trode.
22. Capteur à semiconducteur selon la revendication 21, ca-
ractérisé en ce que chaque électrode parmi l'électrode fixe (17, 18) et l'électrode mobile (16) comporte un ensemble de trous traversants pour
former un enchaînement en série de cadres rectangulaires qui corres-
' pond à une structure de Rahmen.
23. Capteur à semiconducteur comprenant: un substrat semi-
conducteur (19, 20, 21); un élément mobile (12) supporté sur le substrat semiconducteur, et ayant une partie de masse (15) pouvant se déplacer en réponse à une force dynamique s'exerçant sur elle, et une électrode mobile (16) formée d'un seul tenant avec la partie de masse et ayant une
surface de détection; et une électrode fixe (17, 18) placée en porte-à-
faux sur le substrat semiconducteur et ayant une surface de détection qui fait face à la surface de détection de l'électrode mobile; caractérisé en ce que chaque électrode parmi l'électrode mobile (16) et l'électrode fixe (17, 18) comporte un ensemble de trous traversants (31) disposés dans une direction latérale dans laquelle l'électrode mobile et l'électrode fixe s'étendent.
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