FR2859281A1 - Protection d'une membrane deformable contre de fortes deformations dans une structure micromecanique - Google Patents

Abstract

Structure micromécanique destinée à mesurer ou à détecter une grandeur mécanique ou une grandeur dynamique, comprenant une membrane déformable et un substrat support, la membrane étant suspendue au-dessus du substrat support définissant ainsi un espace libre, ladite structure micromécanique comportant en outre une butée limitant les déformations de la membrane, caractérisé en ce que ladite butée s'étend à partir du fond de l'espace libre vers la membrane.L'invention concerne en outre un procédé de réalisation d'une telle structure micromécanique.

Description

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L'invention concerne une structure micromécanique destinée à mesurer ou à détecter une grandeur mécanique ou une grandeur dynamique, comprenant une membrane déformable et un substrat support, la membrane étant suspendue au-dessus du substrat support définissant ainsi un espace libre.

Nombre de telles utilisations de ces membranes suspendues sont connues.

Ainsi, des capteurs capacitifs ou des jauges de contrainte supportés par la membrane peuvent mesurer les déformations que subit la membrane soumise à un apport d'énergie externe (telle que par exemple une pression appliquée perpendiculairement au plan principal de la membrane), en observant les modifications de propriétés physiques de la membrane associés aux déformations (telles que par exemple un changement de capacité électrique ou de contraintes internes). On peut ainsi mesurer par exemple les modifications d'énergie apportée à la membrane ou de force exercée sur la membrane et donc surveiller des grandeurs physiques dans un certain milieu (que ce soient des grandeurs de type dynamique, c'est à dire de type accélération ou de type décélération, et/ou de type mécanique).

De telles membranes soumises à de fortes énergies peuvent devenir 20 fragiles, leurs propriétés intrinsèques pouvant être altérées, et leur structure pouvant se fissurer voire se rompre.

Des moyens de protection de la membrane aux fortes énergies, telles que des énergies de surpression, ont été proposés.

Dans le document WO 90104701, a été proposée une membrane montée dans une cavité délimitée par deux plaques de verre, la cavité ayant une profondeur déterminée pour que, en cas de surpression, la membrane vienne en butée contre l'une ou l'autre des plaques de verre sans connaître de détérioration, les plaques de verre jouant ainsi une fonction d'arrêt de la déformation de la membrane, évitant des problèmes liés à la surpression.

2859281 2 Cependant, cette solution est contraignante du fait de l'encombrement de l'espace environnant la membrane par les plaques de verre, limitant ainsi les applications à des mesures de pressions de fluides injectées à travers des cavités traversant les plaques de verre.

En outre, l'ajout de composants sur la membrane semble difficile à concevoir si ces composants doivent eux aussi entrer en butée avec les plaques de verre, risquant sérieusement de les détériorer.

Dans le document US 6 030 851, est proposé une membrane suspendue audessus d'un support plan, définissant ainsi une cavité d'une profondeur déterminée pour pallier la déformation de la membrane lors de surpression.

Cet ensemble de membrane nécessite d'ajuster précisément la profondeur de la cavité à une valeur maximale déterminée de déformation de la membrane. Or, sa structure présente des possibilités limitées de modification de cette profondeur de cavité dans le cas où elle a été non convenablement ajustée ou si la valeur maximale déterminée de déformation de la membrane est modifiée.

Cet ensemble de membrane présente donc un manque de flexibilité vis à vis de sa conception et de son champ d'application. Dans le document WO 94/05986 est décrite une membrane suspendue au-dessus d'un substrat plan définissant une cavité entre eux, la membrane étant pourvue d'une pluralité de butées individuelles s'étendant dans la cavité vers le substrat de sorte qu'en cas de surpression les butées prennent appui sur le substrat, évitant ainsi une trop forte déformation dé la membrane.

Le document US 6 330 829 propose le même type de structure, mais 25 avec une seule butée individuelle.

Ce type de membrane voit cependant sa structure et sa géométrie modifiées pour l'unique besoin de sa protection aux surpressions. Ses propriétés intrinsèques peuvent ainsi être fortement modifiées, faussant les mesures de déflexion; ou, si elles sont maîtrisées, viennent complexifier ces mesures.

2859281 3 En tous les cas, la réalisation d'une telle membrane est complexe à réaliser.

La présente invention tend à améliorer la situation en proposant selon un premier aspect une structure micromécanique destinée à mesurer ou à détecter une grandeur mécanique ou une grandeur dynamique,_comprenant une membrane déformable et un substrat support, la membrane étant suspendue au-dessus du substrat support définissant ainsi un espace libre, ladite structure micromécanique comportant en outre une butée limitant les déformations de la membrane, caractérisée en ce que ladite butée s'étend à partir du fond de l'espace libre vers la membrane.

D'autres caractéristiques possibles de cette structure micromécanique sont: la butée peut présenter une face supérieure électriquement conductrice de sorte à établir un contact électrique avec la membrane lorsque celle-ci est 15 déformée suffisamment pour venir en appui sur elle; le substrat support comprend une base support, la butée étant solidarisée avec la base support, la base support et la butée étant constituées de matériaux sensiblement différents; le substrat support comprend une base support, la butée étant solidaire de 20 la base support, la base support et la butée étant formées dans un seul et même matériau; la base support et la butée sont chacune en un matériau choisi parmi les matériaux suivants: Si; SiC; quartz; verre; saphir; alumine; céramique. la base support peut comprendre des canaux traversants permettant une circulation de fluide entre l'extérieur et l'espace libre; la membrane est d'une structure choisie parmi: silicium, SOI; PSOI, SOS, SiCOI, SiC; la structure micromécanique est de type capteur à jauges de contrainte supportées par la membrane.

2859281 4 Selon un deuxième aspect, l'invention propose un ensemble de substrats support, chacun des substrats support étant apte à remplir la fonction d'un substrat support d'une desdites structures micromécaniques, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une seule pièce.

Selon un troisième aspect, l'invention propose un ensemble de structures micromécaniques, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une seule pièce.

Selon un quatrième aspect, l'invention propose un procédé de réalisation de ladite structure micromécanique, comprenant la réalisation de la butée à partir d'une plaquette, la plaquette étant revêtue d'un masque à la gravure de forme prédéterminée, et comprenant une étape de gravure de la plaquette jusqu'à obtenir la butée qui correspond principalement à la partie de la plaquette protégée de la gravure par le masque.

D'autres caractéristiques possibles de ce procédé sont: la gravure est une gravure chimique employant des espèces chimiques aptes à attaquer chimiquement le matériau à enlever de la plaquette; la gravure est une gravure anisotropique de type DRIE; la gravure est mise en oeuvre de sorte à conserver une partie non gravée de la plaquette, cette partie non gravée formant une base support de la butée après gravure; le procédé comprend, avant la gravure, une étape de mise en liaison de ladite plaquette avec une base support; l'étape de mise en liaison de la plaquette avec la base support est mise en oeuvre par scellement anodique entre un verre contenant du sodium (comme par exemple du Pyrex ) et du silicium, ou au moyen d'une liaison forte moléculaire ou atomique avec ou sans couche intermédiaire adhésive, par frittage ou par brasage; le procédé comprend en outre, après l'étape de gravure, une. étape de mise en liaison d'un ensemble de membrane sur la base support, l'ensemble de membrane comportant une membrane et un moyen d'attache supportant la 2859281 5 membrane, la liaison se faisant entre le moyen d'attache et la base support; l'étape de mise en liaison de l'ensemble de membrane sur la base support est mise en oeuvre par scellement anodique entre un verre contenant du sodium et du silicium, au moyen d'une liaison forte moléculaire ou atomique avec ou sans couche intermédiaire adhésive, par frittage ou par brasage; l'épaisseur de la plaquette et la forme du masque sont choisies de sorte que, après l'étape de gravure, l'élément tridimensionnel formé puisse être contenu dans l'espace libre situé sous la membrane, sans être en contact ni avec la membrane ni avec le moyen d'attache; l'épaisseur de la plaquette est choisie de sorte que, après gravure, il y ait un écart calibré entre l'élément tridimensionnel obtenu et la membrane, l'écart étant prédéterminé de sorte que la membrane entre en contact avec la butée à partir d'une déformation prédéterminée de la membrane; le procédé peut comporter en outre une étape d'usinage, par exemple ultrasonique, de sorte à former des canaux traversant la base support.

Selon un cinquième aspect, l'invention propose un procédé de réalisation collective d'une pluralité desdits substrats supports comprenant chacun une butée, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation collective des butées des substrats supports à partir d'une seule plaquette, en ce que la plaquette est revêtue d'un masque couvrant une pluralité de surfaces de la plaquette, et en ce qu'il comprend une étape unique de gravure de la plaquette jusqu'à obtenir les butées qui correspondent principalement aux parties de la plaquette protégées par le masque.

D'autres aspects, buts et avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de mise en oeuvre de procédé selon celle-ci, donnée à titre d'exemple et en référence aux figures annexées suivantes: La figure 1 représente un premier exemple d'ensemble de membrane.

2859281 6 Les figures 2a à 2f représentent différentes étapes d'un procédé de réalisation d'une structure micromécanique selon l'invention.

La figure 2g représente une vue en coupe d'une variante d'une structure micromécanique, réalisée selon l'invention, comprenant des canaux traversant sa base support, la vue en coupe correspondant à la coupe selon le plan 1-1 de la figure 3.

La figure 3 est une vue extérieure d'une structure micromécanique, réalisée selon l'invention, comprenant des canaux traversant sa base support, la vue étant dirigée perpendiculairement vers la base support.

Les figures 4a à $c représentent différentes étapes d'un procédé de réalisation d'un ensemble de structures micromécaniques selon l'invention.

Un premier but de l'invention est de réaliser une structure micromécanique destinée à mesurer ou à détecter une grandeur mécanique ou une grandeur dynamique, cette structure comprenant une membrane suspendue résistant à des contraintes externes (telles que des surpressions ou des suraccélérations) que cette dernière peut subir.

Un deuxième but de l'invention est d'obtenir cette résistance à la surpression par un moyen qui: - ne modifie ni la structure ni la géométrie de la membrane suspendue, cette dernière gardant une épaisseur sensiblement homogène; - ne modifie ni la structure ni la définition des éléments de mesure montés sur la membrane; - n'encombre pas la partie exposée de la membrane.

La structure micromécanique atteint donc une résistance aux contraintes externes sans avoir eu à modifier pour cela la membrane suspendue, cette structure micromécanique pouvant ainsi fonctionner par exemple avec des membranes standard.

2859281 7 Le principe général de réalisation d'une telle structure micromécanique comprend les réalisations distinctes des deux éléments suivants: - un ensemble de membrane; - un substrat support de l'ensemble de membrane; L'ensemble de membrane comprend: - une membrane, supportant des éléments de mesure de pression ou d'accélération; un moyen d'attache supportant la membrane afin qu'elle soit suspendue, et destinés à réaliser la jonction entre la membrane suspendue et le substrat support.

L'ensemble de membrane présente donc sous la membrane un espace libre dans lequel la membrane peut se déformer.

Cet espace libre est généralement formé par micro-usinage dans une plaquette initiale dont des parties (qui vont constituer le moyen d'attache de la 15 membrane sur une base support) sont protégées.

Les techniques de micro-usinage employées pour former un tel espace libre peuvent par exemple être de la gravure chimique, telle qu'une gravure KOH à une température déterminée d'un matériau tel que le silicium, et/ou une gravure profonde par ions réactifs, encore appelée DRIE (de l'acronyme anglo- saxon Deep Reactive Ion Etch ) dans un substrat de surface d'origine plane.

Les épaisseurs d'un ensemble de membrane selon l'invention sont typiquement de l'ordre d'environ 500 microns pour le moyen d'attache et d'environ 10 à 200 microns pour la membrane elle-même.

En référence à la figure 1, un premier exemple d'ensemble de membrane 25 20 de type SOI (acronyme anglo-saxon de Silicon On Insulator ) est représenté.

Cet ensemble de membrane 20, non limitatif selon l'invention, comporte un substrat 21 présentant ledit espace libre 40 de sorte à former une structure suspendue appelée membrane ayant un moyen d'attache 21a à une base 2859281 8 support ultérieurement fournie, et une partie fine 21b formant la partie inférieure de la structure suspendue.

Ce substrat 21 est par exemple constitué de silicium monocristallin.

Cet ensemble de membrane 20 comporte en outre sur le substrat 21 une 5 couche électriquement isolante 22, telle qu'une couche de SiO2.

Sur cette couche isolante 22, l'ensemble de membrane 20 comporte une pluralité de micro-structures en silicium monocristallin 23a et 23b situés sur des zones localisées de la partie fine 21b du support 21 et de la partie épaisse 21a du support 21. Typiquement, ces micro-structures 23a et 23b sont habituellement formées à partir d'une couche de silicium initiale, par exemple par photolithographie et gravure chimique ou plasma.

La membrane de l'ensemble de membrane 20 est alors constituée de la partie fine 21 b et de la partie de la couche isolante 22 qui la recouvre.

Cet ensemble de membrane 20 est de type SOI, les micro-structures 23a et 23b en silicium formant la partie silicium supérieure du SOI et la couche isolante 22 formant la partie isolante du SOI.

La membrane 21b peut se déformer sous l'effet d'une modification d'une grandeur physique telle que par exemple une pression mécanique appliquée directement par un fluide statique ou en mouvement, dans une direction perpendiculaire à la membrane, ou telle que par exemple une accélération La déformation de la membrane, sous l'action de ces forces extérieures, entraîne des modifications de propriétés physiques des micro-structures 23a et 23b (modifications de propriétés électriques ou modifications de contraintes mécaniques intrinsèques) ont lieu.

Les micro-structures 23a et 23b servent ainsi d'éléments de mesure de la grandeur physique à mesurer (par exemple une pression mécanique ou une accélération), par l'observation que l'on peut faire desdites modifications de propriétés physiques.

Ces micro-structures 23a et 23b peuvent par exemple chacune remplir 30 une fonction de jauge de contraintes.

2859281 9 Des parties métalliques 24a et 24b sont formées par exemple par dépôt sous vide suivi de photolithographie et gravure chimique sur, respectivement, les micro-structures 23a et 23b, définissant sur ces micro-structures 23a et 23b des zones de contacts électriques métal/semiconducteur 25a et 25b, et comprenant des liaisons métalliques 24a1 et 24b1 destinées à faire fonction de bornes de branchement à des moyens extérieurs de gestion des mesures.

Ces couches métalliques 24a et 24b peuvent par exemple être constituées d'Aluminium.

Afin de protéger la couche de silicium 23 d'agressions extérieures (frottement mécanique, contaminant chimique...), une couche de passivation contenant du nitrure, telle qu'une couche de SixNy, 26a et 26b est disposée directement sous les couches métalliques 24a et 24b, à l'exception des zones de liaisons électriques 25a et 25b.

Cette couche de passivation 26a, 26b participe en outre à l'isolation 15 électrique des couches métalliques 24a et 24b d'avec le reste de l'ensemble de membrane 20, à l'exception des contacts électriques 25a et 25b.

Bien entendu, cet ensemble de membrane 20 discuté n'a été présenté ici qu'à titre d'exemple et ne se limite pas à une structure SOI, l'homme du métier comprendra que l'invention peut être mise en oeuvre avec d'autres types d'ensemble de membrane 20 comprenant un espace libre 40, telles que des ensembles de membrane de type PSOI ( Polysilicon On Insulator ), SOS ( Silicon On Saphir ), SiCOI ( SiC On Insulator ), SiC ou Si.

Ce type d'ensemble de membrane, couramment utilisé par exemple en tant que système de capteur de pression absolue, nécessite un substrat 25 support.

Différentes étapes de réalisation d'un tel substrat support selon l'invention sont représentées en référence aux figures 3a à 3e.

En référence à la figure 2a, le matériau de base à partir duquel sera réalisé le substrat support 10 d'un ensemble de membrane 20 se présente sous 2859281 10 forme d'une plaquette 1 en silicium monocristallin d'orientation cristalline judicieusement choisie, par exemple de type <100>.

Les surfaces de cette plaquette 1 peuvent dans un premier temps être préparées, en mettant en oeuvre une ou plusieurs des techniques suivantes prises seules ou en combinaison: rodage, polissage double face, nettoyage chimique, oxydation sacrificielle, ou toutes autres techniques pouvant améliorer la qualité de surface de la plaquette 1.

Selon une première étape du procédé selon l'invention, et en référence à la figure 2a, une formation d'une couche isolante 2 de la plaquette 1 est mise en oeuvre, par exemple par oxydation thermique à haute température de la plaquette 1, entre 1000 et 1100 C pendant plusieurs heures, pour réaliser une couche isolante 2 en SiO2 d'une épaisseur suffisante, par exemple de 1 à 2 microns.

Il est important qu'après la formation de la couche isolante 2, la plaquette 1 ait une épaisseur prédéterminée de sorte à contrôler l'épaisseur de la butée 5 à graver dans la plaquette 1 par la suite (en référence à la figure 2e), afin que lorsque l'ensemble de membrane 20 sera assemblé (en référence à la figure 2f) lors d'une étape ultérieure, il y ait un écart 41 déterminé entre la surface libre de la butée 5 obtenue et la membrane.

Cet écart 41 représente la distance maximale de déformation de la membrane, une déformation plus importante que cet écart 41 mettant alors la membrane en appui contre la butée 5, empêchant ainsi une surdéformation liée à une surpression.

Ainsi, la valeur de cet écart 41 peut être choisie en fonction des paramètres de résistance à la déformation de la membrane (dépendant notamment de son épaisseur et du matériau qui la constitue), avec un écart seuil à partir duquel la membrane risque de se détériorer.

Lors de la réalisation de ce capteur de pression ou d'accélération 30, la valeur de cet écart 41 est principalement déterminée par: 2859281 11 É la hauteur de suspension de la membrane non déformée par rapport à la base du moyen d'attache 21a; et É l'épaisseur de la plaquette 1, (typiquement comprise entre 100 et 1000 micromètres).

En référence à la figure 2b, après dépôt de résine photosensible, une photolithographie de la couche isolante 2 est mise en oeuvre.

La forme du masque, ainsi que l'épaisseur de la plaquette 1, doit être choisie de sorte que, après la prochaine étape de gravure (en référence à la figure 2e), la butée 5 qui sera formée puisse être contenue dans l'espace libre situé sous la membrane, sans être en contact ni avec le moyen d'attache 21a ni avec la membrane (voir figure 2f).

Une gravure des parties apparentes en surface de la couche isolante 2 est alors mise en oeuvre au moyen d'espèces chimiques déterminées et à des températures contrôlées.

A cet effet, on pourra par exemple utiliser une gravure chimique telle qu'une gravure employant du HF pendant plusieurs minutes, pour retirer la couche isolante 2 en SiO2 d'une épaisseur de l'ordre de 1,6 micromètres sur les surfaces non protégées par la résine.

En référence à la figure 2d, une étape de mise en liaison d'une base support 4 avec la surface libre de la plaquette 1 est mise en oeuvre.

Une préparation préalable des surfaces à lier est conseillée, notamment en nettoyant la surface de la base support 4, par exemple au moyen d'une solution comprenant du H2O2 et du H2SO4 à environ 140 C pendant environ 5 minutes dans le cas d'une base support 4 en verre contenant du sodium.

La plaquette 1 et la base support 4 sont alors mises en contact l'une avec l'autre de façon intime.

La technique de mise en liaison employée peut par exemple être un scellement anodique dans le cas où la base support 4 est en verre contenant du sodium (tel que du Pyrex ); ou une mise en liaison moléculaire ou covalente 2859281 12 avec ou sans couche intermédiaire ayant des propriétés adhésives (telle qu'une couche de SiO2) ; ou un frittage dans le cas où la base support 4 est en verre ou en polymère; ou un brasage; ou d'autres techniques connues de mise en liaison.

Dans le cas où la technique choisie pour mettre en liaison la base support 4 avec la plaquette 1 est un scellement anodique entre le verre contenant du sodium (tel que du Pyrex ) de la base support 4 et le silicium de la plaquette 1, une couche de métal 3 est optionnellement déposée au préalable sur la plaquette 1 du côté de la couche isolante 2', en référence à la figure 2c.

Cette couche de métal 3 peut-être par exemple en Aluminium avec une épaisseur de l'ordre de 1 micron.

Cette couche métallique 3 est conseillée pour réaliser l'étape ultérieure de scellement anodique ci-après, celle-ci remplissant la fonction de contact 15 électrique avec l'anode ou la cathode utilisée lors du scellement.

Pour mettre en oeuvre une liaison par scellement anodique, la mise en oeuvre peut consister à placer l'anode du côté de la couche de métal 3 et la cathode du côté de la face libre de la base support 4. Sous l'effet d'une tension électrique suffisamment grande entre ces deux bornes entraînant alors une migration d'ions Na+ vers la cathode, les charges électriques vont alors créer une force électrostatique suffisamment importante pour coller la plaquette de silicium 1 à la base support 5 et engendrer des liaisons fortes permanentes entre la plaquette 1 et la base support 5.

On pourra par exemple appliquer une tension d'environ 1,6 kilovolts à 25 400 C pendant environ 5 minutes.

En référence à la figure 2e, une butée 5, telle qu'ici un bossage 5, est gravée dans la plaquette 1 en silicium.

Dans le cas où une étape de mise en liaison préalable a été faite par scellement anodique, une étape de retrait de la couche métallique 3, par 2859281 13 exemple par une gravure chimique, peut être mise en oeuvre avant la formation du bossage 5.

Optionnellement, cette couche métallique peut être conservée sur la surface supérieure du bossage 5 pour constituer une électrode métallique au sommet de la butée, cette électrode assurant au besoin un contact électrique avec la face inférieure de la membrane lorsque celle-ci viendrait en appui en cas de surdéformation.

Cette dernière configuration optionnelle pourrait ainsi permettre par exemple la détection électrique d'un seuil de pression appliquée sur la 10 membrane, lorsque celle-ci vient en appui contre le bossage 5.

En second lieu, il est mis en oeuvre une gravure de la plaquette 1.

Pourra être utilisée, notamment si la plaquette 1 est en silicium, une solution à base de KOH ou de TMAH, éventuellement suivie d'une étape de finition de surface au moyen par exemple d'une ou de plusieurs des techniques de finition précitées prises seules ou en combinaison.

Par exemple, une gravure de KOH à 80 C pendant environ 12 heures aura raison d'une bonne partie voire de l'entière épaisseur d'une plaquette 1 d'environ 500 m d'épaisseur.

La couche isolante 2' forme ici une couche d'arrêt à la gravure de KOH, protégeant ainsi la partie de la plaquette 1 qui lui est sous-jacente.

Pourra être utilisée aussi une DRIE, éventuellement suivie d'une étape de finition de surface au moyen par exemple d'une ou de plusieurs des techniques de finition précitées prises seules ou en combinaison.

Cette technique de gravure DRIE est une gravure anisotropique qui va alors permettre de graver la plaquette de silicium 1 tout autour de la couche isolante 2', cette dernière ayant alors un rôle similaire a un masque lors d'une photo lithogravure.

La forme donnée à la couche isolante 2' lors de sa précédente étape de photolithographie discutée plus haut (en référence à la figure lb) a ainsi 2859281 14 déterminé la forme à donner au bossage 5 final après la mise en oeuvre de la gravure.

Dans une première configuration, la gravure n'est pas réalisée sur toute l'épaisseur de la plaquette 1, laissant une partie de celle-ci non gravée sous la 5 butée 5.

Une étape de finition de la surface de la partie non gravée est ensuite optionnellement mise en oeuvre, par exemple par des moyens de gravure chimique appropriés.

Dans le cas où une mise en liaison d'une base support 4 avec la plaquette 1 (constituée chacune d'un matériau différent de l'autre) a eu lieu, la base support 4 représentée sur la figure 2e comprend alors ces deux matériaux dont le matériau semiconducteur de la plaquette 1 qui n'a pas été consommé par la gravure.

Dans le cas où n'a pas été mis en oeuvre une mise en liaison d'une base support 4 avec la plaquette 1, la base support 4 représentée sur la figure 2e n'est constituée que du matériau semiconducteur de la plaquette 1 non consommé par la gravure, l'ensemble base support 4 butée 5 étant constitué d'un seul et même matériau. Il est préférable de laisser une épaisseur suffisante de la partie restante de la plaquette 1 afin de rigidifier suffisamment le substrat support 10. En outre, la gravure doit dans ce cas être particulièrement contrôlée pour pouvoir obtenir au final une butée 5 ayant une épaisseur déterminée pour être comprise dans l'espace libre de l'ensemble de membrane 20 à coller tout en conservant une fonction de butée calibrée à la déformation maximale attendue de la membrane (tel qu'expliqué auparavant).

Dans une deuxième configuration, la gravure est réalisée sur toute l'épaisseur de la plaquette 1, conservant de la plaquette 1 uniquement la butée 5.

Dans ce cas, l'étape optionnelle de mise en liaison de la base support 4 à la plaquette 1 (en référence à la figure 2d) a, dans la cadre de cette deuxième 2859281 15 configuration, été avantageusement mise en oeuvre de sorte à former un support mécanique rigide à la butée 5.

L'arrêt de la gravure peut alors être trouvé lorsque le front de gravure se retrouve au niveau de la base support 4, cette dernière formant une couche 5 d'arrêt à la gravure.

Un retrait de la couche isolante 2' est ensuite optionnellement mis en oeuvre, par exemple au moyen d'une solution HF dans le cas où cette couche isolante 2' est en SiO2.

Le substrat support 10 ainsi obtenu comprend un système d'arrêt 10 (constitué de la butée 5) de la déformation d'une membrane (ultérieurement suspendue au-dessus de la butée 5) qui est: É un élément distinct de la membrane à suspendre; É en trois dimensions, offrant une surface supérieure en hauteur sur laquelle la membrane une fois déformée pourra venir en appui; É ce système d'arrêt (i.e. la butée 5) obtenu permet ainsi de pouvoir effectuer des finitions sur sa structure (avant lafixation du substrat support 10 à l'ensemble de membrane 20), et donc de le modifier dans sa forme ou dans ses dimensions, même après avoir été réalisé, offrant ainsi des possibilités pour rectifier des erreurs dans sa réalisation, ou de changer la hauteur de suspension ou la déformation maximale initialement déterminée de la membrane à suspendre.

On pourra ainsi ajuster dans une certaine mesure les paramètres de la butée 5 en fonction des circonstances, en mettant par exemple en oeuvre des techniques de finition telles des polissages, des gravures, etc. En référence à la figure 2f, une mise en liaison d'un ensemble de membrane 20 et du substrat support 10 est réalisé.

Une préparation des surfaces avant mise en liaison peut être préalablement faite au moyen par exemple d'une ou plusieurs des techniques de préparation précitées, prises seules ou en combinaison.

É 2859281 La mise en liaison du substrat 21 au substrat support 10 se fera au niveau du moyen d'attache 21a et des parties périphériques de la base support 4.

La mise en liaison peut être réalisée par scellement anodique dans le cas où la base support est en verre contenant du sodium (tel que du Pyrex ), ou au moyen d'une liaison moléculaire ou covalente avec ou sans couche intermédiaire adhésive, ou par frittage, ou par brasage.

Dans le cas d'un scellement anodique, la cathode sera par exemple placée du côté de la base support 4, et l'anode du côté de la membrane.

Les paramètres définissant ce scellement anodique sont typiquement du même ordre de grandeur que ceux discutés plus haut en ce qui concernait un optionnel scellement anodique de la base support 4 et de la plaquette 1.

La structure micromécanique 30 ainsi obtenue est une membrane montée sur substrat support 10, présentant une butée 5 séparée de la membrane par un espace 41 de sorte que, lorsqu'une surpression est appliquée sur la membrane de sorte à être susceptible de détériorer cette dernière, la membrane vienne en butée contre la partie supérieure de la butée 5, limitant ainsi la déformation qu'elle aurait eu sans la présence de cette butée 5.

Ainsi, cette simple butée 5 offre une sécurité de fonctionnement à la structure micromécanique 30 sans que la géométrie ou la structure initiale de l'ensemble de membrane 20 ne s'en trouve modifiée et sans ajouter d'éléments supplémentaires encombrant l'espace au dessus de la membrane pouvant alors perturber l'application de pression sur celle-ci.

En référence à la figure 2g, des canaux optionnels peuvent avoir été préalablement pratiqués à travers la base support 4, par exemple par usinage ultrasonique avec des sonotrodes de géométrie appropriée.

La géométrie des sonotrodes est choisie de sorte que les canaux 51 et 52 ne débouchent pas au niveau du bossage 5 ou du moyen d'attache 21a.

2859281 17 De façon particulière, l'usinage réalisé à l'arrière de la base support 4 est paramétré de sorte à déboucher dans l'espace libre 40.

En référence à la figure 3, une vue par l'arrière du capteur de pression ou d'accélération 30 figure 2permet de visualiser une configuration dans laquelle quatre canaux 51, 52, 53 et 54 traversant la base support 4 ont été pratiqués (la figure 2g étant une vue en coupe selon le plan 1-1 représenté sur cette figure 3).

Ainsi, sont obtenus des passages d'accès à la membrane par l'arrière dans lesquels des fluides (gaz ou liquides) peuvent circuler afin de créer une pression appliquée sous la membrane susceptible d'être mesurée par les éléments de mesure supportés par la membrane.

Selon un procédé particulier selon l'invention, une pluralité de substrats supports 10 selon l'invention peuvent être réalisées collectivement à partir d'une structure constituée en un seul matériau ou d'une structure constituée de plusieurs structures, telle que celle représentée figure 3a.

En référence à la figure 4a, une structure comprend, de même que la structure représentée sur la figure 2d, une base support 4 (par exemple en Pyrex ) et une plaquette 1, la plaquette 1 étant liée à la base support 4.

Cette structure comprend en outre sur la plaquette 1 un masque couvrant une pluralité de surfaces 2a', 2b', 2c' afin de former une pluralité de butées 5a, 5b et 5c (en référence à la figure 4b) dans la plaquette 1 sous-jacente au masque, contrairement à la structure représentée sur la figure 2c qui ne couvrait qu'une seule surface.

En référence à la figure 4b, une pluralité de butées 5a, 5b, 5c, telles qu'ici les bossages 5a, 5b, 5c, est gravée collectivement dans la plaquette 1 dans des conditions et avec des moyens similaires à ceux décrits plus haut en référence à la figure 2d.

Selon ce procédé selon l'invention il est donc possible de former collectivement et simultanément une pluralité de butées 5a, 5b, 5c.

2859281 18 Dans une première configuration, les différentes butées 5a, 5b, 5c sont individualisées (au moyen par exemple d'une césure diamant) de sorte à former une pluralité de substrats support, chacun similaire à celui représenté sur la figure 2e. De même qu'en référence aux figures 3f à 3h, chacun de ces substrats support est ensuite lié à un ensemble de membrane, tel qu'un des deux ensembles de membrane 10 représentés sur les figures 1 et 2.

Dans une deuxième configuration, un ensemble de membrane 10' comprenant une pluralité de cavités 40a, 40b, 40c, est lié sur le substrat support 10' de façon similaire à celle décrite en référence à la figure 2e, chaque cavité venant entourer les butées respectives 5a, 5b, 5c.

La partie fine au-dessus de chaque butée 5a, 5b, 5c définissant une membrane munie chacune d'éléments de mesure de pression ou d'accélération.

On obtient ainsi une structure micromécanique 30' comprenant une 15 pluralité de membranes déformables proportionnellement aux forces qui lui sont appliquées.

Optionnellement, des canaux 51-53, 55-57, 56-58 traversant la base support 4 peuvent être préalablement pratiqués, par exemple par usinage ultrasonique, afin d'ouvrir un accès aux cavités respectives 40a, 40b, 40c à des fluides entrants.

Optionnellement, les membranes sont ensuite individualisées (par exemple par césure diamant) pour former des structures micromécaniques chacune similaire à celle représentée sur la figure 2f ou 3g.

La butée 5 a été illustrée dans ce document comme étant en silicium, mais elle peut être constituée d'autres types de matériaux, tels que par exemple des alliages, du SiC, du saphir, de l'alumine, de la céramique, du quartz ou du verre.

La base support 4 a été illustrée dans ce document comme étant en verre, mais elle peut être constituée d'autres types de matériaux, tels que par 2859281 19 exemple des alliages, du SiC, du Si, du saphir, de la céramique, de l'alumine ou du quartz.

Claims (22)

REVENDICATIONS

1. Structure micromécanique destinée à mesurer ou à détecter une grandeur mécanique ou une grandeur dynamique, comprenant une membrane déformable et un substrat support, la membrane étant suspendue au-dessus du substrat support définissant ainsi un espace libre, ladite structure micromécanique comportant en outre une butée limitant les déformations de la membrane, caractérisée en ce que ladite butée s'étend à partir du fond de l'espace libre vers la membrane.

2. Structure micromécanique selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la butée présente une face supérieure électriquement conductrice de sorte à établir un contact électrique avec la membrane lorsque celle-ci est déformée suffisamment pour venir en appui sur elle.

3. Structure micromécanique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le substrat support comprend une base support, la butée étant solidarisée avec la base support, la base support et la butée étant constituées de matériaux sensiblement différents.

4. Structure micromécanique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le substrat support comprend une base support, la butée étant solidaire de la base support, la base support et la butée étant formées dans un seul et même matériau.

5. Structure micromécanique selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisée en ce que la basé support et la butée sont chacune en un matériau choisi parmi les matériaux suivants: alliages; Si; SiC; quartz; verre; saphir; alumine; céramique.

6. Structure micromécanique selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisée en ce que la base support comprend des canaux traversants permettant une circulation de fluide entre l'extérieur et l'espace libre.

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7. Structure micromécanique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la membrane est d'une structure choisie parmi: silicium, SOI, PSOI, SOS, SiCOI, SiC.

8. Structure micromécanique du type capteur à jauges de contrainte supportées par la membrane, caractérisée en ce qu'il est constitué par une structure micromécanique selon l'une des revendications précédentes.

9. Ensemble de substrats support, chacun des substrats support comprenant une butée et chacun étant apte à remplir la fonction d'un substrat support d'une structure micromécanique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une seule pièce.

10. Ensemble de structures micromécaniques, chacune des structures micromécaniques étant conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une seule pièce.

11. Procédé de réalisation d'une structure micromécanique conforme à l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation de la butée à partir d'une plaquette, la plaquette étant revêtue d'un masque à la gravure de forme prédéterminée, et en ce qu'il comprend une étape de gravure de la plaquette jusqu'à obtenir la butée qui correspond principalement à une partie de la plaquette protégée de la gravure par le masque.

12. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la gravure est une gravure chimique employant des espèces chimiques aptes à attaquer chimiquement le matériau à enlever de la plaquette.

13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que la gravure est 25 une gravure anisotropique de type DRIE.

14. Procédé selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que la gravure est mise en oeuvre de sorte à conserver une partie non gravée de la plaquette, cette partie non gravée formant une base support de la butée après gravure.

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15. Procédé selon l'une des quatre revendications précédentes, caractérisé en ce que, avant la gravure, il comprend une étape de mise en liaison de ladite plaquette avec une base support.

16. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de mise en liaison de la plaquette avec la base support est mise en oeuvre par scellement anodique, ou au moyen d'une liaison forte moléculaire ou atomique avec ou sans couche intermédiaire adhésive, ou par frittage, ou par brasage.

17. Procédé selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, après l'étape de gravure, une étape de mise en liaison d'un ensemble de membrane sur la base support, l'ensemble de membrane comportant une membrane et un moyen d'attache supportant la membrane, la liaison se faisant entre la base support et le moyen d'attache.

18. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'étape de mise en liaison de l'ensemble de membrane sur la base support est mise en oeuvre par scellement anodique, au moyen d'une liaison forte moléculaire ou atomique avec ou sans couche intermédiaire adhésive, par frittage ou par brasage..

19. Procédé selon l'une des deux revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaquette et la forme du masque sont choisies de sorte que, après l'étape de gravure, la butée formée puisse être contenue dans l'espace libre situé sous la membrane, sans être en contact ni avec la membrane ni avec le moyen d'attache.

20. Procédé selon l'une des trois revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaquette est choisie de sorte que, après gravure, il y ait un écart entre la butée obtenue et la membrane, l'écart étant prédéterminé de sorte que la membrane entre en contact avec la butée à partir d'une déformation prédéterminée de la membrane.

21. Procédé selon l'une des revendications 14 à 20, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'usinage ultrasonique de sorte à former des canaux traversant la base support.

22. Procédé de réalisation collective d'une pluralité de substrats supports comprenant chacun une butée et chacun apte à remplir la fonction de substrat support dans une structure micromécanique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend la réalisation collective des butées des substrats supports à partir d'une seule plaquette, en ce que la plaquette est revêtue d'un masque couvrant une pluralité de surfaces de la plaquette, et en ce qu'il comprend une étape unique de gravure de la plaquette jusqu'à obtenir les butées qui correspondent principalement aux parties de la plaquette protégées par le masque.