FR2781931A1 - Thermopiles a thermojonctions du type distribuees, fluxmetres thermiques radiatif et conductif mettant en oeuvre ces thermopiles, ainsi que leurs procedes de fabrication - Google Patents
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Abstract
La thermopile comporte une pluralité de thermojonctions (4) du type distribuées réalisées sur un substrat, qui est de préférence un substrat conducteur ou semi-conducteur type silicium. Une pluralité de zones de discontinuité thermique (7) sont réalisées dans le substrat (3); ces zones de discontinuité thermique présentent une conductivité thermique strictement inférieure à la conductivité thermique du substrat. Lorsque la thermopile est prévue pour la mesure d'échanges thermiques conductifs, les zones de discontinuité thermique (7) sont localisées respectivement au droit d'une thermojonction (4) sur deux. Lorsque la thermopile est prévue pour la mesure d'échanges thermiques radiatifs, les zones de discontinuité thermique (7) sont localisées respectivement au droit de chaque thermojonction.
Description
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La présente invention a pour objet deux nouvelles structures de thermopiles à thermojonctions du type distribuées, pour la mesure d'échanges thermiques respectivement conductifs et radiatifs, et qui peuvent plus particulièrement, mais non exclusivement, être réalisées sur substrat thermiquement conducteur, et préférentiellement sur substrat silicium. L'invention a également pour objet un fluxmètre thermique conductif et un fluxmètre thermique radiatif mettant respectivement en oeuvre ces structures de thermopiles, ainsi que les procédés de fabrication de ces fluxmètres thermiques.
Une thermopile comprend de manière usuelle une pluralité de thermocouples successifs qui sont connectés en série, chaque thermocouple étant constitué par deux thermoéléments présentant des propriétés thermoélectriques différentes. La jonction entre deux thermoéléments constitutifs d'un thermocouple est appelée thermojonction. Une thermopile a pour fonction de convertir les écarts en températures créés entre ses thermojonctions chaudes et ses thermojonctions froides en un signal électrique à ses bornes, dont l'origine est l'effet thermoélectrique Seebeck. De manière avantageuse, les thermopiles peuvent être utilisées à température ambiante, ne nécessitent pas de source auxiliaire d'énergie, et le signal électrique généré ne présente pas de composante offset. Un autre avantage des thermopiles réside dans la possibilité de les faire fonctionner en régime permanent, contrairement par exemple aux détecteurs pyroélectriques, qui fonctionnent par variation spontanée de leur polarisation électrique suite à une sollicitation thermique, et qui de ce fait permettent uniquement des mesures de variations de température et sont impropres
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à la caractérisation d'états thermiques stationnaires.
Compte-tenu des avantages précités, les thermopiles sont couramment utilisées pour réaliser des capteurs thermiques, désignés ciaprès fluxmètres thermiques. A cet effet on associe à une thermopile une paroi collectrice, et éventuellement une source de référence de température, appelée puits thermique, permettant de dissiper l'énergie thermique transmise par la thermopile.
Les fluxmètres thermiques peuvent être classés principalement en deux familles, en fonction de la nature de leur paroi collectrice : les fluxmètres de type radiatif, dont la paroi collectrice est destinée à recevoir un rayonnement électromagnétique émis à distance par une source émissive et est apte à transformer ce rayonnement électromagnétique en chaleur, et qui délivrent en sortie un signal électrique fonction de la quantité de flux radiatif absorbée par la paroi collectrice ; les fluxmètres de type conductif, dont la paroi collectrice est destinée à être mise directement en contact thermique avec un milieu solide ou fluide, et qui délivrent un signal électrique fonction de la quantité de chaleur traversant par conduction la paroi collectrice.
Les fluxmètres thermiques radiatifs trouvent de manière préférentielle, mais non exclusivement, leur application dans la détection ou la localisation à distance d'une source radiative, notamment infrarouge ou encore dans la mesure sans contact de la température d'une telle source émissive. Les fluxmètres conductifs peuvent avantageusement être utilisés en régulation thermique ou encore pour caractériser la conductivité thermique de matériaux.
Les thermopiles peuvent elles aussi être classées en deux catégories fondamentalement différentes, en fonction de la disposition de leurs thermojonctions dans la structure de la thermopile : la première catégorie est constituée par les thermopiles dont les thermojonctions sont séparées en deux groupes qui sont tout à fait distincts d'un point de vue de leur localisation dans la structure de la thermopile et qui sont
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isolés thermiquement l'un par rapport à l'autre en étant séparés par un milieu auxiliaire à très faible conductance thermique ; les thermojonctions d'un groupe sont destinées à former les thermojonctions chaudes et les thermojonctions de l'autre groupe sont destinées à former les thermojonctions froides. La seconde catégorie est constituée par les thermopiles dont les thermojonctions chaudes et froides ne sont pas séparées en deux groupes distincts mais sont au contraire dispersées sur un même plan. Par soucis de simplification, les thermojonctions répondant à cette définition et caractéristiques des thermopiles de la seconde catégorie seront dans la suite appelée "thermojonctions du type distribuées". Des capteurs de température mettant en oeuvre une thermopile à thermojonctions de type distribuées sont décrits par exemple dans les publications ci-après : . "Distribution-patterned radiometers. A new paradigm for Irradiance measurement". E.GAVIOT, P. GODTS, F. POLET, K.ZIOUCHE, F.RAUCOULES, D.LECLERCQ. in Infrared Technology and Applications XXIII, Bjôrn F. Andresejn, MariaStrojnik, Editors Proceedings of SPIE Vol.
3061, pp 800-810, Aerospace/Defense Sensing and Contrais, ORLANDO , Florida, USA, 22- 25 April 1997.
. Thin foil planar radiometers : application for designing contactless AT sensors (E.GAVIOT, P. GODTS, S. GUTHS, D.LECLERCQ) Meas. Sci Techno 1.7 (1996) 489-494.
Parmi les fluxmètres thermiques mettant en oeuvre une thermopile appartenant à la première catégorie ci-dessus, on trouve à ce jour principalement les fluxmètres à paroi auxiliaire, et les fluxmètres réalisés sur substrat silicium selon la technologie micro-électronique.
Parmi les fluxmètres mettant en oeuvre une thermopile à thermojonctions du type distribuées (seconde catégorie), on trouve essentiellement à ce jour les fluxmètres radiatifs qui ont été par exemple décrits dans la
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demande de brevet français N 8607072 ou les fluxmètres conductifs qui ont été décrit dans la demande de brevet français N 9305505.
Les fluxmètres à paroi auxiliaire sont généralement des fluxmètres conductifs et se caractérisent structurellement par une paroi collectrice isotherme et une paroi dissipatrice isotherme séparées par une paroi auxiliaire relativement isolante, les thermojonctions chaudes de la thermopile étant regroupées sur la paroi collectrice isotherme, et les thermojonctions froides étant regroupées sur la paroi dissipatrice isotherme. Lorsque les parois collectrice et dissipatrice présentent les mêmes caractéristiques de conductivité thermique élevée, le fluxmètre est avantageusement réversible. Les inconvénients majeurs de ce type de fluxmètre résident dans sa forte sensibilité à la convection, dans sa complexité de réalisation, son temps de réponse, et dans son épaisseur importante liée à la présence de la paroi auxiliaire ; leur réalisation à l'échelle industrielle est de ce fait restée très limitée à ce jour.
Les fluxmètres réalisés sur substrat silicium selon la technologie micro-électronique sont essentiellement de type radiatif et sont réalisés à partir d'une thermopile appartenant à la première catégorie précitée. Ils ont été développés depuis quelques années à la suite des travaux des professeurs F.Vôlklein et A.Wiegand, résumés dans les deux publications ci-après : - F.Vôlklein et A. Wiegand, "High sensitivity and detectivity radiation thermopiles made by multilayer technology" Sensors and Actuators A, 24 (1990), pages 1 à 4 ; - F.Vôlklein et A.Wiegand, "High sensitivity radiation thermopiles made by Bi-Sb-Te films", Sensors and Actuators A,29 (1991), pages 87 à 91.
Des fluxmètres radiatifs pour la détection de rayonnement infrarouge et réalisés en technologie CMOS, sur substrat silicium, ont également été décrits dans la publication ci-dessous :
R. Lenggenhage, H. Baltes and T. Elbel, "Thermoelectric infrared sensors in CMOS technology", Sensors and Actuators, A,37-38 (1993), pages
R. Lenggenhage, H. Baltes and T. Elbel, "Thermoelectric infrared sensors in CMOS technology", Sensors and Actuators, A,37-38 (1993), pages
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216 à 220.
En résumé et d'une manière générale, les fluxmètres réalisés à ce jour sur substrat silicium sont constitués par une pluralité de jonctions thermoélectriques en série, déposées en couches minces sur un substrat silicium de quelques mm2 recouvert d'une couche isolante de SiO2. La partie centrale du substrat silicium est amincie et laisse une membrane isolante de Si02 auto-support sur laquelle sont déposées les thermojonctions chaudes de la thermopile ; les thermojonctions froides de la thermopile sont réalisées sur la périphérie du substrat silicium. Le groupe central des thermojonctions chaudes est séparé et isolé thermiquement du groupe périphérique des thermojonctions froides par une couche mince isolante parallèle au substrat silicium, et interposée entre les deux films constituant respectivement les thermoéléments. La zone centrale du fluxmètre, au niveau du groupe de thermojonctions chaudes, est recouverte d'une couche de faible dimension, qui est apte à absorber le rayonnement thermique que l'on cherche à détecter et qui correspond à la zone à fonction collectrice du fluxmètre ; dans le cas particulier de la détection d'un rayonnement thermique infrarouge, il s'agit d'une couche noire.
A ce jour, les fluxmètres précités réalisés sur substrat silicium sont essentiellement de type radiatif, et sont inadaptés à la mesure d'échanges thermiques de type conductif, compte-tenu de leur résistance thermique interne élevée. Ils présentent en outre les deux inconvénients majeurs suivants. D'une part, pour des raisons de fragilité mécanique, la surface de leur membrane auto-support en SiO2 est nécessairement limitée ; il en résulte que le nombre de thermocouples de la thermopile est nécessairement faible, et en pratique limité à quelques dizaines de thermocouples ; cette limitation du nombre de thermocouples limite de manière préjudiciable l'amplitude du signal électrique produit aux bornes de la thermopile, en réponse à une sollicitation thermique des thermojonctions chaudes. D'autre part, ces fluxmètres radiatifs sont très
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sensibles aux phénomènes de conduction et de convection ; il en résulte qu'il est en pratique nécessaire de les protéger des phénomènes de conduction et convection, en les encapsulant dans un boîtier étanche, qui est rempli de gaz neutre, et en particulier de krypton, et qui comporte une fenêtre transparente au rayonnement.
Les fluxmètres radiatifs, tels que ceux décrits dans la demande de brevet français N 8607072, mettent en oeuvre une thermopile planaire à thermojonctions du type distribuées, qui est plus particulièrement réalisée par gravure d'une piste métallique méandriforme, par exemple en Constantan ou en Chromel, sur un substrat diélectrique thermiquement isolant se présentant sous la forme d'une paroi pleine, et par exemple en Kapton ou verre époxy. La piste métallique est en outre recouverte d'un grand nombre de dépôts électrolytiques d'un second matériau conducteur, par exemple cuivre ou or, régulièrement répartis suivant la longueur de la piste. Le circuit ainsi formé à la surface du support diélectrique isolant se comporte comme un grand nombre de thermocouples connectés en série, les thermojonctions étant localisées sur les lignes frontières des dépôts électrolytiques. Pour obtenir un fonctionnement en fluxmètre radiatif, une thermojonction sur deux est revêtue d'une couche de matériau à fort pouvoir réflecteur vis à vis du rayonnement thermique que l'on cherche à détecter. Ces thermojonctions ne sont donc pas éclairées par le rayonnement et restent froides. Les autres thermojonctions constituent les thermojonctions chaudes et sont recouvertes d'une couche absorbante vis à vis du rayonnement thermique à détecter, et par exemple d'une couche de nickel ou de Bismuth noir absorbant le rayonnement infrarouge. Les couches de matériau réflecteur et de matériau absorbant forment la paroi collectrice du fluxmètre radiatif.
Les fluxmètres conductifs mettant en oeuvre une thermopile planaire à thermojonctions du type distribuées se différencient essentiellement des fluxmètres radiatifs ci-dessus, par la nature de leur
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paroi collectrice. Cette paroi collectrice est réalisée dans une plaque de matériau thermiquement conducteur qui est au contact de la thermopile planaire par l'intermédiaire exclusivement de plots thermiquement conducteurs, à raison d'un plot au contact d'une thermojonction sur deux. En pratique, dans les fluxmètres de ce type actuellement commercialisés, cette paroi collectrice est réalisée sous la forme d'une plaque métallique, notamment en cuivre, qui par exemple a été gaufrée ou gravée chimiquement en sorte de former les plots, et qui est fixée sur la thermopile par collage. Les thermojonctions au contact des plots conducteurs constituent les thermojonctions chaudes qui sont sollicitées thermiquement par conduction à travers la paroi collectrice ; les autres thermojonctions sont maintenues à distance de la paroi collectrice, par la hauteur des plots, et forment les thermojonctions froides.
Un avantage commun aux deux types de fluxmètres radiatifs et conductif ci-dessus, lié à l'utilisation d'une thermopile à thermojonctions du type distribuées, réside dans la possibilité de mettre en oeuvre un nombre important de thermocouples en série, contrairement par exemple aux fluxmètres radiatifs précités sur substrat silicium, ce qui permet d'obtenir à sollicitations thermiques comparables, une plus grande amplitude pour le signal électrique aux bornes de la thermopile.
Les fluxmètres thermiques réalisés à partir d'une thermopile à thermojonctions du type distribuées, qu'ils soient de type radiatif ou de type conductif, présentent toutefois l'inconvénient d'être à ce jour limités à des thermopiles comportant un substrat réalisé dans un type de matériau classé comme bon isolant thermique, c'est-à-dire d'une manière générale dans matériau présentant une conductivité thermique A inférieure à 1W/m.K. Un substrat de très faible conductivité thermique permet en effet de maintenir des différences de températures suffisamment importantes entre les thermojonctions chaudes et froides de la thermopile. A l'inverse, si dans les thermopiles à thermojonctions distribuées connues à ce jour on remplace le matériau thermiquement
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isolant de la paroi formant le substrat par un matériau présentant une bonne conductivité thermique, on court-circuite thermiquement les thermojonctions chaudes et froides, et il n'est plus possible de créer des gradients de températures entre les thermojonctions chaudes et froides.
En outre, dans le cas des thermopiles à thermojonctions du type distribuées connues à ce jour, on sait que plus le substrat est isolant thermiquement, et plus les différences de températures entre thermojonctions chaudes et froides sont importantes, ce qui augmente de manière avantageuse la sensibilité du fluxmètre. Pour les raisons cidessus, on considère à ce jour qu'une condition nécessaire pour réaliser une thermopile à thermojonctions du type distribuées de bonne qualité est de réaliser les couples thermoélectriques sur un substrat présentant une très faible conductivité thermique, et on a toujours cherché à éviter de réaliser des thermopiles à thermojonctions distribuées sur des substrats thermiquement conducteurs, tels que par exemple des substrats silicium qui présentent une conductivité thermique # de l'ordre de 100W/m.K. En définitive, on utilise en pratique comme substrat pour les thermopiles à thermojonctions du type distribuées une paroi en Kapton présentant une conductivité thermique # de l'ordre de 0,2W/m.K ou encore une paroi en verre époxy présentant une conductivité thermique # de l'ordre de 0,5W/m. K. Ces deux types de substrats précités actuellement utilisés pour les thermopiles à thermojonctions du type distribuées limitent le champ d'application de ces thermopiles à des températures inférieures à 300 C.
Un autre inconvénient des fluxmètres actuels réalisés à partir d'une thermopiles à thermojonctions du type distribuées réside dans la complexité et le coût relativement élevé de la fabrication de la thermopile. La fabrication de ces fluxmètres s'accompagne en outre de manière préjudiciable d'une dispersion importante de leurs caractéristiques thermiques, et en particulier de leur sensibilité. Plus particulièrement dans le cas de la fabrication des fluxmètres conductifs
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mettant en oeuvre une thermopile à thermojonctions distribuées, l'opération d'assemblage par collage de la paroi collectrice et de la thermopile est très délicate, car d'une part il est très difficile de contrôler parfaitement l'alignement des plots de contact avec les thermojonctions de la thermopile, et d'autre part cette opération de collage se traduit en pratique par des débordements de colle venant modifier les propriétés thermiques du fluxmètre.
L'invention se situe dans le domaine des thermopiles à thermojonctions du type distribuées et des fluxmètres mettant en oeuvre ce type particulier de thermopile, et réside principalement dans un perfectionnement apporté à la structure de ces thermopiles, en particulier au niveau de leur substrat.
Selon un premier aspect, l'invention a pour objet une nouvelle thermopile pour la mesure d'échanges thermiques conductifs. De manière connue, la thermopile comporte une pluralité de thermojonctions du type distribuées qui sont réalisées sur un substrat. De manière caractéristique selon l'invention, la thermopile comprend une pluralité de zones de discontinuité thermique qui sont réalisées dans le substrat en étant localisées respectivement au droit d'une thermojonction sur deux, et qui présentent une conductivité thermique strictement inférieure à la conductivité thermique du substrat.
Selon un deuxième aspect, l'invention a pour objet une nouvelle thermopile pour la mesure d'échanges thermiques radiatifs. De manière connue, la thermopile comporte une pluralité de thermojonctions du type distribuées, qui sont réalisées sur un substrat. De manière caractéristique selon l'invention, la thermopile comprend une pluralité de zones de discontinuité thermique qui sont réalisées dans le substrat en étant localisées respectivement au droit de chaque thermojonction, et qui présentent une conductivité thermique strictement inférieure à la conductivité thermique du substrat.
Dans les deux nouvelles structures de thermopile précitées, les
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zones de discontinuité thermique ont pour effet de constricter dans le substrat les lignes de flux thermiques de part et d'autre de chaque zone de plus faible conductivité thermique.
Dans le cas de la thermopile de l'invention pour la mesure d'échanges thermiques conductifs, compte-tenu de la répartition dans le substrat (au droit d'une thermojonction sur deux) des zones de discontinuité de plus faible conductivité thermique, on impose une dissymétrie des flux de conduction dans le substrat, ce qui permet quelle que soit la conductivité thermique du substrat, de créer un écart de température entre une thermojonction localisée au droit d'une zone de discontinuité thermique (thermojonction chaude) et les thermojonctions qui lui sont adjacentes (thermojonctions froides). Plus la différence de conductivité thermique entre le substrat et les zones de discontinuité sera importante, plus les écarts de températures entre les thermojonctions seront importants, et meilleure sera la sensibilité de la thermopile. Grâce à l'invention, il devient notamment possible de réaliser une thermopile pour la mesure d'échanges thermiques conductifs qui est réalisée sur un substrat thermiquement conducteur, et en particulier, mais non exclusivement sur un substrat de silicium, alors que jusqu'à ce jour ce type de substrat était exclusivement réservé au domaine des thermopiles permettant la mesure d'échanges thermiques radiatifs. Dans le cas particulier d'un substrat silicium, d'une part on peut avantageusement utiliser pour la réalisation de la thermopile les microtechnologies de gravure et de dépôt de couches minces sur substrat silicium, qui sont à ce jour parfaitement maîtrisées, mieux adaptées à une réalisation industrielle, et qui permettent en outre d'obtenir une très bonne reproductibilité dans la fabrication des thermopiles, ainsi qu'une fabrication simultanée sur un même substrat d'une pluralité de capteurs; d'autre part il devient possible de réaliser des thermopiles pour la mesure d'échanges thermiques conductifs pouvant résister à des températures allant jusqu'à 600 C, contre 300 Cavec des substrats usuels en Kapton
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ou verre époxy.
Enfin, la nouvelle structure de thermopile de l'invention pour la mesure d'échanges thermiques conductifs présente en outre l'avantage considérable de simplifier dans une large mesure la fabrication d'un fluxmètre conductif, et en particulier la réalisation de la paroi collectrice d'un fluxmètre conductif. En effet, grâce aux zones de discontinuité thermique dans le substrat, la paroi collectrice peut être réalisée dans une simple couche de matériau faiblement conducteur de la chaleur, venant au contact de l'intégralité des thermojonctions, et de préférence dans une couche de matériau présentant une conductivité thermique comprise entre 0,1W/m.K et 4W/m.K. On évite ainsi toutes les difficultés que l'on rencontre actuellement dans le cadre de la réalisation de fluxmètres conductifs à base d'une thermopile à thermojonctions distribuées, et qui sont liées essentiellement à la fabrication d'un paroi collectrice de structure complexe (par exemple structure gaufrée avec plots de contact conducteurs) et à la mise en place par collage d'une telle paroi avec nécessité d'aligner les plots conducteurs avec les thermojonctions.
La thermopile de l'invention pour la mesure d'échanges thermiques radiatifs, d'une part présente tous les avantages liés à la structure distribuée des thermojonctions, et notamment n'est pas limitée à un faible nombre de couples thermoélectriques, comparativement aux thermopiles à thermojonctions séparées et divisées en deux groupes distincts (première catégorie précédemment décrite) et en particulier aux thermopiles sur substrat silicium des fluxmètres radiatifs de l'art antérieur ; d'autre part elle présente l'avantage, par rapport aux thermopiles à thermojonctions distribuées de l'art antérieur de ne pas être limitée à l'utilisation d'un substrat thermiquement isolant, et de pouvoir être réalisée sur tout type de substrat et en particulier sur des substrats thermiquement conducteurs, tel que des substrats en silicium. En outre, comparativement aux thermopiles sur substrat conducteur de l'art antérieur, et en particulier sur substrat silicium, l'invention permet
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avantageusement la réalisation dethermopiles pour la mesure d'échanges thermiques radiatifs et par là-même la réalisation de fluxmètres radiatifs, présentant une plus grande insensibilité aux phénomènes de conduction ou de convection, ainsi qu'une plus grande résistance mécanique. La plus grande insensibilité aux phénomènes de conduction ou de convection est liée à la présence des zones de discontinuité de plus faible conductivité thermique dans le substrat au droit de chacune des thermojonctions, qui permettent de diminuer, voire dans certains cas de réalisations préférés d'éliminer, les comportements différentiels entre les thermojonctions au regard de l'évacuation de l'énergie thermique de chaque thermojonction par conduction à travers le substrat.
Dans une variante particulière de réalisation, le substrat présente une conductivité thermique supérieure ou égale à 1W/m.K, et est de préférence en silicium, et chaque zone de plus faible conductivité thermique s'étend à l'intérieur du substrat dans une direction transversale au plan des thermojonctions depuis la face avant du substrat, c'est-à-dire la face du substrat orientée vers les thermojonctions.
Dans une variante préférée de réalisation, pour obtenir une thermopile qui est insensible aux phénomènes de conduction ou de convection, on met en oeuvre des couples de thermoéléments présentant la même conductance thermique, tels que par exemple des thermoéléments à base de polysilicium dopé respectivement positivement et négativement, et on réalise dans le substrat des zones de discontinuité thermique qui sont identiques, chaque zone de discontinuité thermique étant en outre symétrique et centrée sur une thermojonction.
L'invention a également pour objets un fluxmètre thermique conductif ainsi qu'un fluxmètre thermique radiatif. Le fluxmètre thermique conductif est réalisé à partir d'une thermopile de l'invention pour la mesure d'échanges thermiques conductifs et comprend en outre une paroi collectrice formée par une couche de matériau à faible conductivité thermique, venant en contact de toutes les thermojonctions. Dans une variante particulière de réalisation, cette couche de matériau présentera une conductivité thermique qui est de préférence comprise entre 0,1
W/m. K et 4 W/m.K.
W/m. K et 4 W/m.K.
Le fluxmètre thermique radiatif est réalisé à partir d'une thermopile de l'invention pour la mesure d'échanges thermiques radiatifs, telle que celle précédemment décrite, et comprend une paroi collectrice,
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qui est constituée d'une première couche de matériau apte à absorber le rayonnement à détecter et déposée au contact des thermojonctions de la thermopile, et d'une seconde couche de matériau apte à réfléchir le rayonnement à détecter, et déposée sur la première couche au droit d'une thermojonction sur deux.
L'invention a enfin pour autres objets les procédé de fabrication respectivement d'un fluxmètre conductif et d'un fluxmètre radiatif réalisés sur substrat thermiquement conducteur, et en particulier sur substrat silicium.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description ci-après d'une variante préférée de réalisation d'un fluxmètre thermique radiatif et de deux variantes préférées de réalisation d'un fluxmètre thermique conductif, ainsi que de leurs procédés de fabrication, laquelle description est donnée à titre d'exemple non limitatif et en référence au dessin annexé sur lequel: - La figure 1 est une coupe transversale de principe d'une variante particulière de réalisation d'un fluxmètre thermique radiatif de l'invention, - La figure 2 est une vue de dessus de la face avant du fluxmètre de la figure 1, - La figure 3 est une coupe transversale de principe d'une première variante de réalisation d'un fluxmètre thermique conductif de l'invention, - La figure 4 est une coupe transversale de principe d'une seconde variante particulière de réalisation d'un fluxmètre thermique conductif de l'invention, - Les figures 5 à 15 sont des vues de principe en coupe transversale illustrant les principales étapes de fabrication d'un fluxmètre thermique radiatif conforme à la figure 1, et réalisé par gravures et dépôts de couches minces sur substrat silicium selon une technologie micro- électronique, - Les figures 16 à 22 représentent respectivement les différents masques
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de résine photosensible successifs qui sont mis en oeuvre au cours du procédé de fabrication du fluxmètre thermique radiatif, - Les figures 23 et 24 sont des vues de principe en coupe transversale illustrant les deux dernières étapes principales de fabrication d'un fluxmètre thermique conductif , conforme à la figure 3, et réalisé sur substrat silicium selon la technologie micro-électronique, - La figure 25 représente le masque de résine photosensible mis en oeuvre pour la gravure de la face arrière des structures des figures 23 et 24, - Les figures 26,27 et 28 sont des vues de principe en coupe transversale illustrant les trois dernières étapes de fabrication d'un fluxmètre conductif , conforme à la seconde variante de la figure 4, et réalisé sur substrat silicium selon la technologie micro-électronique, - et la figure 29 représente le masque de résine photosensible qui est mis en oeuvre pour la gravure de la face arrière de la structure de la figure 26.
En référence à la figure 1, un fluxmètre thermique radiatif, conforme à l'invention, est constitué d'une thermopile 1 associée à une paroi collectrice 2. La thermopile 1 comporte essentiellement une pluralité de thermojonctions 4, du type distribuées, réalisées à la surface d'un substrat 3.
Dans l'exemple particulier de réalisation illustré, ces thermojonctions 4 sont constituées par une succession de thermoéléments ThA et ThB, qui sont disposés linéairement et en alternance, en sorte de constituer une piste thermoélectrique en forme de serpentin (figure 2), et qui ne sont pas directement en contact les uns avec les autres, mais sont deux à deux connectés par l'intermédiaire d'un pont ohmique P. La mise en oeuvre de ponts ohmiques P est liée au fait que les thermoéléments ThA et ThB, tel que cela apparaîtra plus clairement lors de la description ultérieure du procédé de fabrication de ce fluxmètre, sont de préférence réalisés à partir du même matériau
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semi-conducteur, dopé respectivement positivement ou négativement. Dans une autre variante de l'invention, il est envisageable que les thermoéléments successifs ThA et ThB soient directement en contact les uns avec les autres. Il est également envisageable que les thermoéléments soient réalisés par dépôts plaqués, c'est-à-dire en réalisant dans un premier temps une piste thermoélectrique continue en forme de serpentin à partir d'un premier matériau thermoélectrique, destiné par exemple à former les thermoélément ThA, et dans un deuxième temps en réalisant, à la surface et le long de cette piste thermoélectrique continue, une pluralité de dépôts d'un second matériau thermoélectrique en sorte de former les thermoéléments ThB. Enfin, l'invention n'est pas limitée à la mise en oeuvre de thermojonctions réalisées à la surface d'un substrat selon une géométrie linéaire unidirectionnelle, mais s'étend à toute thermopile mettant en oeuvre des thermojonctions du type distribuées, c'est-à-dire mettant en oeuvred'une manière générale des thermojonctions qui sont dispersées à la surface d'un substrat, et qui ne sont pas regroupées, d'un point de vue de leur localisation, en deux groupes distincts correspondant respectivement au groupe des thermojonctions chaudes et au groupe des thermojonctions froides. En particulier, à la place d'une géométrie linéaire unidirectionnelle telle que celle de la piste thermoélectrique en forme de serpentin de la figure 1, il est possible de réaliser une thermopile à thermojonctions du type distribuées, se présentant sous la forme d'un damier.
De manière usuelle dans le domaine des fluxmètres thermiques radiatifs, la paroi collectrice 2 est dans l'exemple illustré constituée d'une première couche 5 d'un matériau apte à absorber le rayonnement thermique à détecter. Cette couche 5 recouvre toutes les thermojonctions 4. Sur cette première couche 5 est déposée une seconde couche 6 d'un matériau apte à réfléchir le rayonnement à détecter. Cette couche 6 est constituée d'une pluralité de bandes 6a parallèles déposées sur la première couche 5 au droit d'une
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thermojonction 4 sur deux. Les thermojonctions 4 recouvertes par la couche 6 de matériau réflecteur forment les thermojonctions froides, tandis que les thermojonctions 4 qui ne sont pas recouvertes par la couche 6 de matériau réflecteur forment les thermojonctions chaudes.
Dans l'exemple illustrée, les thermojonctions chaudes et froides 4 sont alternées le long de la piste thermoélectrique en forme de serpentin.
Selon une caractéristique essentielle de l'invention, dans le substrat 3 sont réalisées une pluralité de zones de discontinuité thermique 7 distinctes. Ces zones de discontinuité thermique 7 sont localisées au droit de chaque thermojonction 4, c'est-à-dire sont réalisées dans le substrat 3 au droit de chaque thermojonction 4, et sont séparées les unes des autre, le long de la piste thermoélectrique (figure 2/axe X), par des portions 3ç de substrat 3 localisées respectivement au droit de chaque thermoélément ThA, ThB, entre deux thermojonctions 4 successives. Chaque zone de discontinuité thermique présente en outre une conductivité thermique strictement inférieure à la conductivité thermique du matériau constitutif du substrat 3.
Dans l'exemple préféré de réalisation illustré, chaque zone de discontinuité thermique 7 est délimitée par une cavité 8 vide, à parois sensiblement rectilignes, orientée transversalement au plan (AA) des thermojonctions 4, et traversant de part en part le substrat 3. Plus particulièrement, entre d'une part les thermojonctions 4, et d'autre part la face supérieure 3a du substrat 3 orientée vers les thermojonctions 4 et dite ci-après face avant, est interposée une couche de matériau 9, de faible épaisseur, qui a pour fonction de supporter les thermojonctions 4 au droit des cavités 8.
Les zones de discontinuité thermique 7 au droit de chaque thermojonction 4 ont pour principal effet de constricter dans le substrat
3 les lignes de flux thermique au niveau de chaque thermojonction 4, de part et d'autre de chaque zone de discontinuité. Grâce à la présence de ces zones de discontinuité 7 au droit de chaque thermojonction 4, il est
3 les lignes de flux thermique au niveau de chaque thermojonction 4, de part et d'autre de chaque zone de discontinuité. Grâce à la présence de ces zones de discontinuité 7 au droit de chaque thermojonction 4, il est
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avantageusement possible d'utiliser pour la réalisation du substrat 3 un matériau qui ne soit pas nécessairement un matériau à très faible conductivité thermique, mais on peut utiliser un matériau qui est réputé bon conducteur thermique, et par exemple du silicium, sans préjudice pour le fonctionnement du fluxmètre thermique. L'effet de constriction des flux thermiques lié à la présence des zones de discontinuité permet en effet de maintenir des écarts de température entre thermojonctions chaudes et froides, quelle que soit la conductivité thermique du matériau constituant le substrat 3.
Dans la variante préférée de réalisation illustrée à la figure 1, les zones de discontinuité thermique 7 au droit de chaque thermojonction 4 sont identiques, et chaque zone de discontinuité thermique est symétrique et centrée sur une thermojonction 4. Dans cette variante préférée de réalisation, on met également en oeuvre des couples de thermoéléments ThA et ThB présentant la même conductance thermique.
Dans l'exemple illustré, il s'agit plus particulièrement de thermoéléments ayant une géométrie identique, et réalisés à partir d'un même matériau semi-conducteur, tel que par exemple du polysilicium, dopé respectivement positivement et négativement. Ces caractéristiques préférentielles permettent avantageusement de réaliser un fluxmètre thermique radiatif qui présente un comportement symétrique au niveau de ces thermojonctions 4, au regard de l'évacuation de l'énergie thermique dans le substrat 3, et qui par là-même est quasiment insensible aux phénomènes de conduction et de convection.
Dans une autre variante de réalisation plus complexe, l'insensibilité aux phénomènes de conduction et de convection, pourrait être obtenue en d'une part en utilisant des thermoéléments ThA et ThB qui présentent des conductances thermiques différentes, c'est-à-dire des thermoéléments ThA et ThB qui présentent une géométrie différente et/ou qui sont réalisés dans des matériaux de conductivités thermiques sensiblement différentes, et d'autre part en compensant cette différence
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de conductance thermique par une géométrie adaptée des zones de discontinuité thermique 7, en sorte de réduire au minimum les comportements différentiels entre thermojonctions au regard de l'évacuation de l'énergie thermique par conduction à travers le substrat.
Un avantage supplémentaire du fluxmètre radiatif de la figure 1 par rapport notamment aux fluxmètres radiatifs connus à ce jour et réalisés sur substrat silicium, réside dans sa plus grande solidité mécanique. Le fluxmètre radiatif de la figure 1 présente également tous les avantages liés à la mise en oeuvre d'une thermopile à thermojonctions du type distribué. En particulier, il est avantageusement possible de mettre en oeuvre un nombre important de thermoéléments sur une faible surface de substrat 3 et par là-même de réaliser un fluxmètre thermique présentant une sensibilité importante.
Le fluxmètre thermique conductif de la figure 3 se différencie du fluxmètre thermique radiatif de la figure 1 d'une part par la structure de sa paroi collectrice 2 , et d'autre part en ce que le substrat 3 de la thermopile 1 présente une pluralité de zones de discontinuité thermique 7 réalisées au droit d'une thermojonction 4 sur deux. La paroi collectrice 2 du fluxmètre de la figure 3 comporte essentiellement une couche de matériau 10 recouvrant les thermojonctions 4, et réalisée dans un matériau présentant une conductivité thermique suffisamment faible, et de préférence comprise entre 0,1W/m.K et 4W/m. K, en sorte de ne pas court-circuiter d'un point de vue thermique les thermojonctions 4 entreelles. La présence des zones de discontinuité thermique 7 au droit d'une thermojonction 4 sur deux permet de conférer au fluxmètre thermique conductif le comportement différentiel nécessaire au bon fonctionnement de ce type de fluxmètre, l'énergie thermique nécessaire par conduction à travers la paroi collectrice 2 à une thermojonction 4 située au droit d'une zone de discontinuité thermique 7 de plus grande conductivité thermique étant dissipée plus rapidement que l'énergie thermique transmise à une thermojonction 4 située au droit d'une portion de
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substrat 3. Les thermojonctions 4 au droit d'une zone de discontinuité thermique 7 constituent par conséquent les thermojonctions froides du fluxmètre thermique conductif, tandis que les thermojonctions 4 situées au droit d'une portion de substrat 3 constituent les thermojonctions chaudes.
Le fluxmètre thermique conductif de la figure 4 se différencie du fluxmètre thermique conductif de la figure 3 en ce que dans le substrat 3 sont réalisées une pluralité de cavités 8 au droit de chacune des thermojonctions 4, et en ce qu'à l'intérieur d'une cavité 8 sur deux est déposée au contact de la couche support 9 une couche M de matériau qui présente une conductivité thermique supérieure à celle du substrat 3, et qui a pour fonction de former un pont thermique dans le substrat 3 entre les parois de la cavité 8 correspondante. Cette couche M de matériau est de préférence réalisée à partir d'un matériau comportant une conductivité thermique élevée, et est de préférence une couche de métal. Dans cette variante de la figure 4, les thermojonctions froides de la thermopile 1 du fluxmètre thermique conductif sont constituées par les thermojonctions 4 situées au droit d'une cavité 8 à l'intérieur de laquelle a été déposée une couche M de matériau.
De la même manière que pour le fluxmètre radiatif de la figure 1, les fluxmètres conductifs des figures 3 et 4, de part la mise en oeuvre de zones de discontinuité thermique dans le substrat 3, permettent avantageusement de mettre en oeuvre un substrat 3 de conductivité thermique quelconque, et en particulier un substrat 3 classé bon conducteur thermique, tel que par exemple du silicium. Un avantage supplémentaire des fluxmètres conductifs de l'invention, tels que ceux illustrés aux figures 3 et 4, par rapport aux fluxmètres conductifs connus à ce jour découle de la plus grande simplicité de fabrication de la paroi collectrice 2 du fluxmètre, qui peut être avantageusement réalisée par simple dépôt d'une ou plusieurs couches superposées de matériau.
De manière préférentielle, les fluxmètres thermiques des figures
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1,3 et 4 sont réalisés sur substrat silicium, selon une technologie micro-électronique de gravures et de dépôt de couches minces. Cette technologie permet avantageusement la réalisation à l'échelle industrielle de fluxmètres thermiques avec une bonne reproductibilité, ainsi qu'une fabrication collective de fluxmètres, c'est-à-dire la fabrication simultanément sur un même substrat d'une pluralité de fluxmètres juxtaposés. Des exemples préférés de fabrication des fluxmètres des figures 1, 3, 4, selon cette technologie, vont à présent être décrits en référence aux figures 5 à 29.
PROCEDE DE FABRICATION SUR SUBSTRAT SILICIUM D'UN FLUXMETRE THERMIQUE RADIATIF CONFORME A LA FIGURE 1
Les différentes étapes du procédé décrit ci-après sont réalisées à partir d'une plaquette initiale de silicium, qui présente par exemple une épaisseur de 250 m, et qui est destinée à former le substrat 3 du fluxmètre thermique.
Les différentes étapes du procédé décrit ci-après sont réalisées à partir d'une plaquette initiale de silicium, qui présente par exemple une épaisseur de 250 m, et qui est destinée à former le substrat 3 du fluxmètre thermique.
ETAPE 1/FIGURE 5 Opération 1.1 : Après nettoyage de la plaquette de silicium, on réalise une oxydation humide à 1100 C des faces avant 3a et arrière 3b de la plaquette de silicium, en sorte de former deux couches 9 et 9' de SiO2 de faible épaisseur respectivement sur les faces avant 3a et arrière 3b.
L'oxydation sera réalisée en sorte d'obtenir des couches 9 et 9' de SiO2 ayant par exemple une épaisseur de 1,5 m.
Opération 1.2 : On dépose sur les deux couches 9 et 9' de SiO2, deux couches 11et
11' d'un matériau semi-conducteur non dopé. Les deux couches 11et
11' seront par exemple deux couches de polysilicium non dopé ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,5 m,
11' d'un matériau semi-conducteur non dopé. Les deux couches 11et
11' seront par exemple deux couches de polysilicium non dopé ayant par exemple une épaisseur de l'ordre de 0,5 m,
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ETAPE 2/FIGURE 6
Cette étape a pour but de réaliser les thermoéléments ThA et ThB par implantation ionique de la couche 11du matériau semi-conducteur non dopé, et plus particulièrement la couche de polysilicium.
Cette étape a pour but de réaliser les thermoéléments ThA et ThB par implantation ionique de la couche 11du matériau semi-conducteur non dopé, et plus particulièrement la couche de polysilicium.
Opération 2.1 : On réalise à la surface de la couche 11(polysilicium non dopé) un masque de résine photosensible conforme à celui de la figure 16 (masque 1). Sur la figure 16, les parties non grisées correspondent à des parties, qui après révélation de la résine photosensible sont dépourvues de résine photosensible. De manière usuelle, ce masque de résine est réalisé en déposant une couche de résine photosensible à la surface de la couche 11, et en appliquant un rayonnement UV sur cette couche de résine à travers une plaque de verre comportant le motif gravé correspondant au masque 1.
Opération 2.2 : On réalise de manière usuelle une implantation ionique N (phosphore) de la couche 11sur toute la profondeur de cette couche 11.
Opération 2.3 : On supprime au moyen d'un solvant le masque de résine à la surface de la couche 11. Ce type d'opération sera ci-après désignée par le terme "délaquage".
Les opérations 2.1. à 2.3. précitées permettent de former dans la couche 11le thermoélément ThA.
Les thermoéléments ThB sont formés dans la couche 11en réitérant les opérations 2.1. à 2. 3. précitées, mais avec un masque de résine conforme à la figure 17 (masque 2), et en réalisant une implantation ionique P (Bore) sur la même profondeur.
Opération 2.4 : A l'issue de ces deux opérations d'implantation ionique N et P, on réalise une opération de recuit à 1100 C sous une atmosphère permettant de
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réaliser une oxydation des faces avant et arrière (couches 12 et 12' de la figure 6). Cette étape de recuit a pour fonction de permettre une diffusion des dopants à l'intérieur de la couche 11de polysilicium dopé, et par là-même une meilleure homogénéisation de ces dopants dans la couche 11. La couche d'oxyde 12 permet de faire office de barrière de diffusion.
ETAPE 3/FIGURE 7 Opération 3.1 : On retire les couches d'oxyde 12 et 12' en leur faisant subir une attaque chimique.
Opération 3.2 : On retire la couche 11' de polysilicium non dopé en lui faisant subir une gravure ionique réactive (GIR).
ETAPE 4/FIGURE 8
Cette étape a pour but la formation de la piste thermoélectrique en forme de serpentin avec séparation des thermoéléments successifs ThA et ThB.
Cette étape a pour but la formation de la piste thermoélectrique en forme de serpentin avec séparation des thermoéléments successifs ThA et ThB.
Opération 4.1 : On réalise sur la couche 11de polysilicium dopé le masque de résine de la figure 18 (masque 3).
Opération 4.2: On réalise une gravure GIR isotropique de la couche 11de polysilicium dopé.
Opération 4.3 : On réalise un délaquage du masque de résine ayant servi à la gravure GIR isotropique.
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ETAPE 5/FIGURE 9 Opération 5.1 : On réalise à la surface de la couche 11de polysilicium dopé, formant à présent la piste thermoélectrique en forme de serpentin, le masque de résine de la figure 19 (masque 4).
Opération 5.2 : On dépose sur la surface de ce masque de résine ainsi que sur la face arrière de la couche 9' de SiO2 une couche de titane/or (le titane a pour fonction de permettre l'accrochage de la couche d'or).
Opération 5.3 : On réalise un délaquage du masque de résine.
Cette étape 5 permet principalement la formation des ponts ohmiques P (Ti/AU), ainsi que la formation d'une couche métallique 13 (Ti/AU) sur la face arrière de la structure (figure 9).
ETAPE 6/FIGURE 10
Cette étape a pour but la formation de la paroi collectrice 2 du fluxmètre thermique.
Cette étape a pour but la formation de la paroi collectrice 2 du fluxmètre thermique.
Opération 6.1 :
On réalise un dépôt par centrifugation de la couche de matériau 5 constitutive de cette paroi collectrice. Dans un exemple précis de réalisation , le matériau utilisé est du polymide, et la couche 5 présente une épaisseur de l'ordre de 15 m.
On réalise un dépôt par centrifugation de la couche de matériau 5 constitutive de cette paroi collectrice. Dans un exemple précis de réalisation , le matériau utilisé est du polymide, et la couche 5 présente une épaisseur de l'ordre de 15 m.
Opération 6.2 :
On réalise à la surface de la couche 5 de polymide le masque de résine de la figure 20 (masque 5).
On réalise à la surface de la couche 5 de polymide le masque de résine de la figure 20 (masque 5).
Opération 6.3 : On dépose une couche de titane/or à la surface de ce masque de résine.
Opération 6.4 : On réalise un délaquage de la surface de la couche de polymide 5 en
<Desc/Clms Page number 24>
sorte de retirer le masque de résine, ce qui a pour effet de retirer les parties de la couche Ti/AU qui étaient en contact avec la résine et par làmême de former à la surface de la couche 5 de polymide les bandes réflectrices 6a constituées par les parties résiduelles de la couche Ti/AU.
ETAPE 7/FIGURES 11A et 11B
Cette étape a pour but la formation des plots de connexion 14 (figure 2) aux extrémités de la piste thermoélectrique en forme de serpentin.
Cette étape a pour but la formation des plots de connexion 14 (figure 2) aux extrémités de la piste thermoélectrique en forme de serpentin.
Opération 7.1 : On dépose une couche 15 d'une première résine à la surface de la couche 5 de polymide. Cette couche 15 recouvre également les bandes réflectrices 6a.
Opération 7.2 : On dépose par-dessus cette couche 15 une couche métallique 16 de faible épaisseur (par exemple 0,2 m).
Opération 7.3 : On réalise à l'aide d'une deuxième résine 17 un masque conforme à la figure 21 (masque 6).
Opération 7.4 : On réalise une attaque liquide de la couche métallique 16. Si l'on se réfère à la figure 1 1 B, les parties de la couche métallique 15 protégées par le masque de résine 17 ne subissent pas d'attaque. Les parties de la couche métallique 16 non recouvertes par le masque de résine 17 subissent une attaque liquide permettant la formation d'évidements 18 dans la couche métallique 16 à l'endroit des futurs plots de connexion
14.
14.
ETAPE 8/FIGURE 12 On réalise une attaque plasma sous atmosphère O2 de la couche 15 de la première résine et de la couche 5 de polymide. Cette attaque permet
<Desc/Clms Page number 25>
de creuser plus profondément les évidements 18 jusqu'à atteindre la couche titane/or qui avait été déposée lors de l'étape 5 (opération 5.1.) à la surface de la couche 11de polysilicium dopé.
ETAPE 9/FIGURE 13 Opération 9.1 : On dépose une couche de métal supplémentaire 19 dans le fond des évidements 18, en sorte de créer les plots de connexion 14, l'épaisseur plus importante permettant ultérieurement la soudure d'une connexion sur chaque plot 14.
Opération 9.2 : On réalise un délaquage de la première couche 15 de résine ce qui permet par là-même de retirer le masque de métal (couche 16) porté par cette résine.
ETAPE 10/FIGURE 14 Opération 10.1 : On réalise un masque de résine, conforme à la figure 22 (masque 7) sur la face arrière de la structure, c'est-à-dire sur la face extérieure de la couche métallique 13.
Opération 10.2 : On réalise une attaque liquide de cette couche 13 en sorte de former les évidements 21 (figure 14).
ETAPE 11 /FIGURE 15 Opération 11.1 : On réalise une attaque anisotrope de la couche 9' (face arrière) de SiO2 et de la face arrière 3b du substrat silicium 3. Cette attaqueanisotrope a pour effet de creuser la couche 9 et le substrat 3 en sorte de former les cavités 8 au droit des thermojonctions 4.
Dans l'exemple précis de réalisation illustré, compte-tenu de la
<Desc/Clms Page number 26>
configuration du masque 7 (figure 22) utilisé à l'étape 10, ces cavités 8 se présentent sous la forme de canaux longitudinaux (figure 2/axe Y) de largeur I et de longueur L (figures 2,15 et 22).
Opération 11.2 : On réalise un délaquage du masque de résine à la surface de la couche métallique 13.
A l'issue de cette étape 11, on obtient un fluxmètre thermique radiatif conforme aux figures 1 et 2 précédemment décrites.
PROCEDE DE FABRICATION SUR SUBSTRAT SILICIUM D'UN FLUXMETRE THERMIQUE CONDUCTIF CONFORME A LA FIGURE 3
On réalise les étapes 1 à 9 précédemment décrites, en supprimant toutefois les opérations 6. 2 et 6. 4. de l'étape 6 précédemment décrite. A l'issue de l'étape 9, on réalise les deux étapes supplémentaires 12 et 13 ci-après.
On réalise les étapes 1 à 9 précédemment décrites, en supprimant toutefois les opérations 6. 2 et 6. 4. de l'étape 6 précédemment décrite. A l'issue de l'étape 9, on réalise les deux étapes supplémentaires 12 et 13 ci-après.
ETAPE 12/FIGURE 23 Opération 12.1 : On réalise sur la face arrière de la structure issue de l'étape 9 un masque de résine conforme à celui de la figure 25 (masque 8). Ce masque de résine correspond à la couche 22 de la figure 23.
Ooération 12.2 : On réalise une gravure de la couche métallique 13 or/titane en sorte de former les évidements 23.
ETAPE 13/FIGURE 24 Opération 13.1 : On réalise une gravure de la couche 9' de SiO2 jusqu'à la face arrière 3b du substrat silicium 3.
<Desc/Clms Page number 27>
Opération 13.2 : On réalise une attaque anisotrope du substrat silicium 3 jusqu'à atteindre la couche 9 de SiO2 de la face avant.
Ces deux opérations successives de gravure du SiO2 et d'attaque anisotrope du substrat silicium permettent de former les cavités 8 au droit d'une thermojonction 4 sur deux, compte-tenu de la configuration du masque de résine utilisé (figure 25).
Il suffit dans une ultime opération de réaliser un délaquage du masque de résine (couche 22/figure 24) pour obtenir la structure de fluxmètre thermique conductif de la figure 3.
PROCEDE DE FABRICATION SUR SUBSTRAT SILICIUM D'UN FLUXMETRE THERMIQUE CONDUCTIF CONFORME A LA FIGURE 4 Ce fluxmètre est réalisé en réalisant les mêmes étapes 1 à 9 et 12 et 13 précédemment décrites pour la réalisation du fluxmètre thermique conductif de la figure 3, le masque de résine mis en oeuvre pour l'opération 12. 1. de l'étape 12 étant le masque 9 illustré à la figure 29.
Les figures 26 et 27 illustrent les coupes transversales de principe de la structure obtenue à l'issue des étapes 12 et 13. Conformément au masque 9 de la FIGURE 29, les cavités 8 s'étendent au droit de chaque thermojonction 4.
On réalise en outre une étape 14 supplémentaire (figure 28) consistant dans le dépôt de la couche de métal M dans le fond d'une cavité 8 sur deux. Il suffit ensuite de réaliser un délaquage du masque de résine (couche 22/figure 28) pour obtenir la structure de fluxmètre thermique conductif de la figure 4.
Claims (14)
- REVENDICATIONS 1. Thermopile pour la mesure d'échanges thermiques conductifs, comportant une pluralité de thermojonctions (4) du type distribuées réalisées sur un substrat (3), caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de zones de discontinuité thermique (7) qui sont réalisées dans le substrat (3) en étant localisées respectivement au droit d'une thermojonction (4) sur deux, et qui présentent une conductivité thermique strictement inférieure à la conductivité thermique du substrat.
- 2. Thermopile selon la revendication 1 caractérisée en ce que chaque zone de discontinuité thermique (7) est délimitée par une cavité (8) dans le substrat.
- 3. Thermopile selon la revendication 1 ou 2 caractérisée en ce que le substrat présente une conductivité thermique supérieure ou égale à 1 W/m.K, et est de préférence en silicium, et en ce que chaque zone de plus faible conductivité thermique s'étend à l'intérieur du substrat (3) dans une direction transversale au plan (AA) des thermojonctions depuis la face avant (3a) du substrat, c'est-à-dire la face du substrat orientée vers les thermojonctions (4).
- 4. Thermopile selon la revendication 2 ou 3 caractérisée en ce que le substrat (3) comprend une cavité (8) au droit de chaque thermojonction (4), et en ce qu'une cavité sur deux délimite une zone de discontinuité thermique présentant une conductivité thermique strictement inférieure à la conductivité thermique du substrat, et les autres cavités délimitent une zone de discontinuité thermique présentant une conductivité thermique strictement supérieure à la conductivité thermique du substrat.
- 5. Thermopile selon la revendication 4 caractérisée en ce que les zones de plus grande conductivité thermique sont réalisées par dépôt, à l'intérieur des cavités correspondantes du substrat, d'une couche de matériau (M) présentant une conductivité thermique supérieure à celle du substrat, et de préférence par dépôt d'une couche de métal, ladite couche formant un pont thermique dans le substrat (3) entre les parois<Desc/Clms Page number 29>de la cavité (8).
- 6. Thermopile pour la mesure d'échanges thermiques radiatifs, comportant une pluralité de thermojonctions (4) du type distribuées réalisées sur un substrat (3), caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de zones de discontinuité thermique (7) qui sont réalisées dans le substrat (3) en étant localisées respectivement au droit de chaque thermojonction (4), et qui présentent une conductivité thermique strictement inférieure à la conductivité thermique du substrat.
- 7. Thermopile selon la revendication 6 caractérisée en ce que chaque zone de discontinuité thermique (7) est délimitée par une cavité (8) dans le substrat (3).
- 8. Thermopile selon la revendication 6 ou 7 caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir de thermoéléments (ThA,ThB) présentant la même conductance thermique, et en ce que les zones de discontinuité thermique sont identiques, et chaque zone de discontinuité thermique est symétrique et centrée sur une thermojonction.
- 9. Thermopile selon l'une des revendications 6 à 8 caractérisée en ce que le substrat présente une conductivité thermique supérieure ou égale à 1W/m.K, et est de préférence en silicium, et en ce que chaque zone de discontinuité thermique s'étend à l'intérieur du substrat dans une direction transversale au plan (AA) des thermojonctions (4) depuis la face avant (3a) du substrat (3), c'est-à-dire la face du substrat orientée vers les thermojonctions (4).
- 10. Fluxmètre thermique conductif caractérisé en ce qu'il comprend une thermopile selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, et une paroi collectrice formée par une couche de matériau (10) à faible conductivité thermique, venant au contact de toutes les thermojonctions (4), et en particulier d'une couche de matériau de conductivité thermique de préférence comprise entre 0,1 W/m. K et 4W/m.K.
- 11. Fluxmètre thermique radiatif caractérisé en ce qu'il comprend une thermopile selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, et une paroi<Desc/Clms Page number 30>collectrice (2) qui comprend une première couche de matériau (5) apte à absorber le rayonnement à détecter et déposée au contact des thermojonctions (4), et d'une seconde couche de matériau (6) apte à réfléchir le rayonnement à détecter, et déposée sur la première couche au droit d'une thermojonction (4) sur deux.
- 12. Procédé de fabrication d'un fluxmètre thermique conductif conforme à la revendication 10 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - oxydation d'au moins l'une (3a) des deux faces, dite face avant, d'un substrat (3) conducteur ou semi-conducteur, et plus particulièrement d'un substrat silicium; - réalisation des thermojonctions (4) à la surface de la couche oxydée (9) de la face avant (3a) du substrat (3) ; - dépôt sur la couche (9) oxydée de la face avant (3a) du substrat (3) d'au moins une couche (10) de matériau, qui recouvre les thermojonctions (4), et qui présente une faible conductivité thermique, et en particulier d'une couche de matériau de conductivité thermique de préférence comprise entre 0,1 W/m. K et 4 W/m.K ; - gravure de la face arrière (3b) du substrat (3) à l'aide d'un masque permettant de réaliser dans le substrat (3), au droit d'une thermojonction (4) sur deux, une cavité (8), qui s'étend jusqu'à la couche (9) oxydée de la face avant (3a) du substrat (3).
- 13. Procédé de fabrication d'un fluxmètre thermique conductif conforme à la revendication 10, et mettant en oeuvre une thermopile conforme à la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - oxydation d'au moins l'une (3a) des deux faces, dite face avant, d'un substrat (3) conducteur ou semi-conducteur, et plus particulièrement d'un substrat silicium; - réalisation des thermojonctions (4) à la surface de la couche oxydée (9) de la face avant (3a) du substrat (3) ; - dépôt sur la couche (9) oxydée de la face avant (3a) du substrat (3)<Desc/Clms Page number 31>d'au moins une couche (10) de matériau qui recouvre les thermojonctions (4), et qui présente une faible conductivité thermique, et en particulier d'une couche de matériau de conductivité thermique de préférence comprise entre 0,1W/m.K et 4 W/m.K ; - gravure de la face arrière (3b) du substrat (3) à l'aide d'un masque permettant de réaliser dans le substrat (3), au droit de chaque thermojonction (4), une cavité (8), qui s'étend jusqu'à la couche (9) oxydée de la face avant (3a) du substrat (3) ; - dépôt dans une cavité (8) sur deux du substrat (3) d'une couche (M) d'un matériau présentant une conductivité thermique supérieure à celle du substrat (3), et de préférence d'une couche de métal.
- 14. Procédé de fabrication d'un fluxmètre thermique radiatif conforme à la revendication 11 caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : -oxydation d'au moins l'une (3a) des deux faces, dite face avant, d'un substrat (3) conducteur ou semi-conducteur, et plus particulièrement d'un substrat silicium; - réalisation des thermojonctions (4) à la surface de la couche oxydée (9) de la face avant (3a) du substrat (3) ; - dépôt sur la couche (9) oxydée de la face avant (3a) du substrat (3) d'une première couche (5) d'un matériau apte à absorber le matériau à détecter et recouvrant les thermojonctions (4) ; - dépôt sur la première couche (5), au droit d'une thermojonction (4) sur deux, d'une seconde couche (6) d'un matériau apte à réfléchir le rayonnement à détecter ; - gravure de la face arrière (3b) du substrat (3) à l'aide d'un masque permettant de réaliser dans le substrat (3), au droit de chaque thermojonction (4), une cavité (8), qui s'étend jusqu'à la couche (9) oxydée de la face avant (3a) du substrat (3).
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