FR2869600A1 - Capteur combine de pressions relative et absolue - Google Patents

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Abstract

Capteur micromécanique pour la saisie d'au moins une première pression d'un premier milieu, selon lequel le capteur micromécanique comporte au moins un substrat (100) en une matière de préférence semi-conductrice et le substrat (100) comporte au moins deux éléments de capteur (110, 120). Un premier élément de capteur (120) saisit la pression absolue du premier milieu et un second élément de capteur (110) saisit la pression relative du premier milieu.

Description

Domaine de l'invention
La présente invention concerne un capteur micromécanique pour la saisie d'au moins une première pression d'un premier milieu, selon lequel le capteur micromécanique comporte au moins un substrat en une matière de préférence semi-conductrice et le substrat comporte au moins deux éléments de capteur.
Elle concerne également un procédé de fabrication d'un capteur de pression micromécanique notamment un capteur selon l'une des revendications 1 à 6, pour saisir au moins une première pression d'un premier milieu.
Etat de la technique Selon le document DE 42 27 893 Al, on connaît un capteur de pression différentiel comportant deux membranes semiconductrices. Les faces supérieures des membranes semi-conductrices respectives sont munies de résistances piézo-électriques reliées. Pour protéger les éléments de capteurs sensibles, les faces supérieures des membranes semi-conductrices sont logées dans une chambre de référence, commune, qui peut être fermée de manière hermétiquement étanche.
En plus de la saisie d'une pression différentielle selon l'état de la technique, il est également connu de saisir une pression absolue à l'aide de capteurs de pression micromécaniques. C'est ainsi que par exemple le document DE 100 32 579 Al décrit la fabrication d'un tel capteur de pression absolue; selon ce document on réalise une cavité cou-verte par une membrane ayant des zones de porosité différente que l'on obtient par un traitement thermique. Ce principe est développé dans le document DE 101 38 759 Al selon lequel on utilise des zones à dopages différents pour la cavité et la membrane.
Selon le document DE 100 32 579 Al, on connaît un procédé permettant de réaliser un capteur de pression différentielle et de pres- sion absolue. Selon ce document, dans une première étape, on réalise d'abord une première couche poreuse dans un substrat semi-conducteur et, dans une seconde étape, par un orifice externe, on forme une cavité ou une cavité sous ou à partir de la première couche poreuse dans le substrat semi-conducteur.
La saisie des signaux de pression d'un capteur de pression micromécanique peut se faire de manière totalement générale à la fois par des couches biélectriques capacitives et par des résistances piézo-électriques sur la membrane. Au voisinage immédiat de l'élément de cap- teur nécessaire à la saisie du signal de pression, on peut avoir un circuit d'exploitation sur le même substrat que celui de l'élément capteur. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un capteur micro- mécanique de saisie d'au moins une pression du type ci-dessus, caractérisé en ce qu'un premier élément de capteur saisit la pression absolue du premier milieu, et un second élément de capteur saisit la pression relative du premier milieu.
L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel capteur de pression micromécanique caractérisé en ce que dans un substrat composé de préférence d'une matière semi-conductrice, on réalise au moins un premier élément de capteur pour saisir une pression absolue et un second élément de capteur pour saisir une pression relative.
De façon avantageuse, un capteur intégré de pressions ab- solue et relative permet une extension de la fonctionnalité par rapport à un capteur de pression, simple avec une réduction de coûts et une amélioration de la fiabilité. Ainsi, pour des applications concernant la sécurité, il est possible d'effectuer des contrôles de sécurité/plausibilité des données obtenues. Pour cela, au même endroit, on saisit à la fois les données de pression relative et les données de pression absolue. On ne risque pas de fausser les valeurs de mesures du fait d'emplacement de mesures différents et/ou de températures différentes et qui seraient par exemple possibles dans le cas d'éléments de capteur distincts logés dans un double boîtier ou dans des boîtiers distincts. Du fait de la proximité immédiate des deux éléments de capteurs, la saisie des pressions à la même température participent à une meilleure précision des mesures vis-à-vis d'une solution à deux puces . Ainsi, l'intégration proposée peut remplacer deux capteurs distincts. Cela offre un potentiel d'économie plus important à la fois en technique de fabrication et en technique de liaison ainsi que du point de vue du coût des puces. Par comparaison avec un système à deux capteurs (éventuellement également à deux boîtiers différents), on améliore de manière significative la fiabilité du système.
Selon un développement particulier de l'invention, le pre- mier élément de capteur qui saisit la valeur absolue de la pression peut se commander indépendamment du second élément de capteur qui saisit la valeur de la pression relative. On peut également envisager de saisir la pression relative indépendamment de la pression absolue. Par une asso- ciation appropriée des circuits d'exploitation, on peut exploiter des gran- deurs de pression saisies des deux éléments de capteur également de manière indépendante.
Il est prévu avantageusement que le substrat portant les deux éléments de capteur comporte au moins une partie d'un circuit. Le circuit ou la partie de circuit est prévue pour le fonctionnement d'au moins l'un des éléments de capteur et/ou par la saisie et/ou l'exploitation d'au moins l'une des pressions. Selon un développement particulier de l'invention, à chaque élément de capteur, on associe au moins une partie d'un circuit de sorte que la saisie et/ou l'exploitation des pressions de deux éléments de capteur peut se faire de manière indépendante.
Selon un développement de l'invention, le premier élément de capteur comporte au moins une membrane et/ou une cavité et/ou une résistance piézo-électrique et/ou une couche diélectrique. Il est notamment prévu que la cavité soit à une pression constante par rapport à la pression environnante du premier milieu, et qu'elle soit notamment sous vide.
En outre, le second élément de capteur comporte au moins une membrane et/ou une résistance piézo-sensible et/ou une cavité ou-verte. Il est notamment prévu que la cavité soit ouverte par le côté arrière du substrat, c'est-à-dire par le côté du substrat à l'opposé de la membrane.
De manière avantageuse, il est également prévu que la cavité ouverte comporte un second milieu dans lequel règne une seconde pression. Ainsi, à titre d'exemple, la membrane à laquelle est adjacente la cavité peut être exposée à la fois à la première pression du premier milieu et à la seconde pression du second milieu. La différence entre la première et la seconde pression peut être captée par la variation de position ou le fléchissement de la membrane.
De manière avantageuse, cela se fait par des résistances 30 piézorésistantes appliquées sur la membrane.
De façon avantageuse, le capteur de pression absolue s'obtient par des procédés de fabrication en micromécanique de surface (micromécanique OMM) et le capteur de pression relative s'obtient par des procédés de fabrication en mécanique en vrac (mécanique BMM). On peut ainsi envisager une couche diélectrique réalisée par deux pages sélectives du substrat semi-conducteur. Une ouverture de la cavité du second élé- ment de capteur s'obtient par un procédé de fabrication micromécanique comme par exemple un procédé de gravure de tronchet ou un autre pro- cédé de gravure. En plus des éléments de capteur on peut également réaliser le circuit ou au moins une partie du circuit par un procédé de fabrication micromécanique.
De manière générale les étapes micromécaniques de fabri- cation des différents éléments de capteur ou des parties de circuit sont accordées et les différentes étapes de procédé peuvent s'effectuer simultanément ou successivement.
Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus 10 détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans le dessin annexé dans lequel: l'unique figure est un exemple d'un capteur combiné de pressions absolue et relative, selon l'invention.
Description du mode de réalisation
La figure 1 montre un exemple de réalisation d'une combinaison selon l'invention d'un capteur de pression absolue 120 et d'un capteur de pression relative 110. Les éléments de capteur nécessaires à la saisie des deux pressions sont réalisés dans ou sur un substrat commun 100. Comme il est par exemple connu selon l'état de la technique de réali- ser un capteur de pression relative ou capteur de pression différentielle 110 ainsi qu'un capteur de pression absolue 120 par des procédés de fabrication micromécanique à partir d'un substrat semi-conducteur 100, la description suivante se rapporte uniquement aux particularités de la combinaison des deux capteurs de pression. Du reste pour la fabrication générale d'un capteur de pression absolue ou d'un capteur de pression relative par les procédés de fabrication en micromécanique on se reportera à l'état de la technique évoqué dans le préambule.
Le capteur de pression relative 110 se compose comme le montre la figure, d'une membrane 165 et d'une cavité 145 réalisées de préférence par des procédés de fabrication micromécanique en vrac (mi- cromécanique BMM). La cavité 145 est ouverte sur le côté arrière 104 du substrat 100. Une telle ouverture comme représentée à la figure se réalise par un procédé de gravure micromécanique approprié et/ou par un procé- dé de tranchée. Lorsqu'on utilise un procédé de gravure par KOH, on ob- serve des flans d'angle incliné délimitant la cavité alors qu'en utilisant la technique des tranchées on a des parois plus raides de la cavité comme cela est indiqué par les traits interrompus 190. Pour saisir la pression ou former une grandeur de pression, la membrane 165 porte des piézo- résistances 135. Les piézo-résistances 135 peuvent être réalisées à la fois dans la matière semi-conductrice du substrat 100 dans la membrane 165 et aussi par une autre matière appliquée sur la face avant 102 et/ou la face arrière 104 du substrat 100 de la membrane 165.
Pour brancher des piézo-résistances 135 ou exploiter les pressions saisies il est prévu un circuit 155 réalisé sur le substrat 100. Ce circuit 155 peut être intégré dans le substrat 100 ou être appliqué séparément sur le substrat 100. On peut également avoir une intégration partielle du circuit dans la zone de membrane 165. De même on peut prévoir uniquement les éléments de branchement sur le substrat 100 pour transmettre la valeur de pression saisie par les piézo-résistances 135 vers un circuit d'exploitation externe.
Le capteur de pression absolue 120 est réalisé de préférence selon un procédé de fabrication micromécanique en surface (procédé OMM) par rapport au procédé utilisé pour le capteur de pression relative 110. Pour cela on forme une cavité 140 dans le substrat 100 sous la membrane 160. Comme pour le capteur de pression relative 110, la membrane 160 peut être munie de piézo-résistances 130.
En variante, pour le capteur de pression absolue 120 on peut saisir la valeur de la pression par une saisie capacitive. Pour cela la membrane 160 et une couche 170 en regard de la membrane 160 doivent avoir des caractéristiques diélectriques. En outre, dans cette variante de principe de mesure il faut que le circuit d'exploitation 150 associé au capteur de pression absolue 120 soit relié à la couche diélectrique 170 par une ligne de liaison distincte 180.
De manière générale la mesure de pression par un capteur de pression relative 110 se fait en appliquant contre la face avant 102 un premier milieu dans lequel règne une pression p 1 et sur le côté arrière 104 de la membrane, un second milieu à la pression p2. On peut égale- ment utiliser un premier et un second milieu identiques mais à des pressions différentes. Par une différence de pression (p 1 différent de p2) entre les deux pressions on fait fléchir la membrane 165 vers le côté où règne la pression la plus faible. En même temps que le fléchissement de la membrane 165, les piézo-résistances 135 fléchissent également de même qu'un circuit piézo-résistant prévu sur la membrane 165 en générant ainsi une grandeur électrique proportionnelle au fléchissement ou à la différence de pression. Cette grandeur électrique de pression peut être traitée ensuite à l'aide du circuit d'exploitation 155.
La saisie des grandeurs de pression par le capteur de pression absolue 120 se fait de façon analogue; la chambre 140 est toutefois à une pression p0 prédéfinie à la fabrication du capteur de pression. Pour cela on ferme la chambre 140 de manière hermétique vis-à-vis de l'environnement par la membrane 160 ou le substrat 100. Il est prévu avantageusement que la chambre 140 soit sous vide ou à une pression définie (en utilisant par exemple un gaz fonctionnel particulier). Comme déjà indiqué, les piézo-résistances 130 sur la membrane 160 génèrent une grandeur de pression proportionnelle à la différence entre la pression p 1 du premier milieu appliqué contre la face avant 102 de la membrane 160 et la pression p0 régnant dans la chambre 140. La grandeur de pression ainsi engendrée peut être préparée dans un circuit d'exploitation 150 associé au capteur de pression absolue 120 pour être ensuite traitée.
En variante de la saisie de la grandeur de pression par des piézorésistances 130 ou des couches de piézo-résistances dans ou sur la membrane 160 on peut également faire une mesure capacitive en fonction du fléchissement de la membrane. Mais pour cela il faut que la membrane possède au moins une couche (partie de couche) conductrice. Le fléchissement de la membrane en fonction de la pression permet de constater une variation de capacité dans la couche 170 en regard de la membrane 160, couche qui présente également au moins une couche ou partie de couche conductrice.
Une possibilité de réalisation d'une couche ou partie de couche conductrice correspondante à la fois dans la membrane 160 et en dessous de la cavité 140 consiste à doper de manière appropriée la matière semiconductrice du substrat 120.
Pour réaliser un capteur combiné de pressions absolue/relative, on peut combiner les procédés de fabrication mécanique servant à la fabrication d'un seul des capteurs de pression. On peut ainsi envisager de réaliser la membrane 160 et la membrane 165 au cours de la même étape de fabrication. De même les piézo-résistances 130 et 135 ou les circuits 150 et 155 peuvent être fabriqués en parallèle.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1 ) Capteur micromécanique pour la saisie d'au moins une première pression d'un premier milieu, selon lequel le capteur micromécanique comporte au moins un substrat (100) en une matière de préférence semi- conductrice et le substrat (100) comporte au moins deux éléments de capteur (110, 120), caractérisé en ce qu' un premier élément de capteur (120) saisit la pression absolue du premier milieu, et un second élément de capteur (110) saisit la pression relative du premier milieu.
2 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression absolue et la pression relative sont saisies indépendamment l'une de l'autre et/ou sont exploitées indépendamment l'une de l'autre, et il est prévu notamment une exploitation commune des pressions.
3 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément de capteur (120) comporte au moins - une membrane (160) et/ou une cavité (140) et/ou une résistance piézo-électrique (130) et/ou - une couche diélectrique (160, 170), la cavité (140) étant à une pression prédéfinie par rapport à la pression ambiante du premier milieu, de préférence mise sous vide.
4 ) Capteur selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le substrat (100) et/ou une membrane (160, 165) comporte au moins une partie d'un circuit (130, 135, 150, 155, 180) prévu pour saisir et/ou exploiter au moins l'une des pressions.
5 ) Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second élément de capteur (110) comporte au moins une membrane (165) et/ ou une piézo-résistance (135) et/ou - une cavité ouverte (145) et notamment l'ouverture de la cavité (145) conduit au côté du substrat (100) à l'opposé de la membrane (165), et/ou - la cavité ouverte (145) contient un second milieu à une seconde pression, et - la pression relative représente la différence de pression entre la première et la seconde pression.
6 ) Procédé de fabrication d'un capteur de pression micromécanique notamment un capteur selon l'une des revendications 1 à 6, pour saisir au moins une première pression d'un premier milieu, caractérisé en ce que dans un substrat (100) composé de préférence d'une matière semiconductrice, on réalise au moins un premier élément de capteur (120) pour saisir une pression absolue et un second élément de capteur (110) pour saisir une pression relative.
7 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier élément de capteur (120) et le second élément de capteur (110) sont séparés l'un de l'autre dans l'espace sur le substrat (100), et il est notamment prévu de réaliser les éléments de capteur (110, 120) par des procédés micromécaniques.
8 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la réalisation du premier élément de capteur (120) consiste au moins à réaliser une membrane (160) et/ou - une cavité (140) et/ou une piézo-résistance (130) et/ou - une couche diélectrique (160, 170), et il est notamment prévu de générer dans la cavité (140) une pression prédéfinie par rapport à la pression ambiante du premier milieu.
9 ) Procédé selon la revendication 6 ou 8, caractérisé en ce qu' au moins une partie d'un circuit (130, 135, 150, 155, 180) est réalisée sur le substrat (100) et/ou sur au moins une membrane (160, 165), et on réalise une liaison électrique entre le circuit jusque vers au moins l'un des deux éléments de capteur (110, 120).
10 ) Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' on réalise le second élément de capteur (110) en réalisant au moins - une membrane (160) et/ou une piézo-résistance (135) et/ou une cavité ouverte (145) et il est notamment prévu d'ouvrir la cavité (145) par un procédé de tran-15 chée ou par un procédé de gravure en partant du côté (104) du substrat (100) à l'opposé de celui de la membrane (165).
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