FR2881224A1 - Fluid`s e.g. gas, absolute pressure detecting assembly for aeronautic field, has cover fixed to micromechanical structure via sealing layer, and layer electrically isolating metallic layers from structure, with exception of contacts - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un ensemble de détection de la pression d'un fluide,The invention relates to a set for detecting the pressure of a fluid,
tel qu'un gaz ou un liquide, comportant une structure micrornécanique incluant une membrane déformable et des moyens de détection de la déformation de cette membrane, la membrane offrant au moins une de ses faces à la pression du fluide. such as a gas or a liquid, comprising a micromechanical structure including a deformable membrane and means for detecting the deformation of this membrane, the membrane providing at least one of its faces to the pressure of the fluid.
On peut utiliser ce type de détection clans n'importe quel système ou domaine technique nécessitant une telle détection ou mesure de pression d'un fluide. On pourra citer à titre d'exemple des mesures de pression de fluide dans le domaine aéronautique. This type of detection can be used in any system or technical field requiring such detection or measurement of fluid pressure. Examples of fluid pressure measurements in the aeronautical field may be mentioned.
Sous l'action mécanique du fluide, la membrane se déforme, et les moyens de détection (typiquement de type capteurs capacitifs ou jauges de contraintes supportées par la membrane) détectent et éventuellement mesurent les déformations que subit la membrane, en observant les modifications des propriétés physiques associées aux déformations (telles que par exemple une changement de capacité électrique ou de contraintes internes). On peut ainsi surveiller des grandeurs physiques dans un certain milieu extérieur, que ce soient des grandeurs de type dynamique, c'est-à-dire de type accélération ou de type décélération, et/ou de type mécanique. Under the mechanical action of the fluid, the membrane is deformed, and the detection means (typically of the capacitive sensor type or strain gauges supported by the membrane) detect and possibly measure the deformations that the membrane undergoes, by observing the modifications of the properties physical phenomena associated with deformations (such as, for example, a change in electrical capacitance or internal stresses). It is thus possible to monitor physical quantities in a certain external environment, whether they are magnitudes of dynamic type, that is to say type of acceleration or deceleration type, and / or mechanical type.
De telles membranes, soumises à des conditions agressives ou extrêmes telles que des conditions pouvant exister dans le domaine de l'aéronautique, peuvent être fragilisées, et leurs propriétés intrinsèques altérées. Such membranes, subjected to aggressive or extreme conditions such as conditions that may exist in the field of aeronautics, may be weakened, and their intrinsic properties altered.
C'est pourquoi, en référence à la figure 1, on renferme la structure micromécanique 100 dans un boîtier de protection 200. Une structure micromécanique 100 comprend typiquement un ensemble de membrane 120 comprenant une membrane 21b et supporté par un substrat 110. Des moyens de détection 130 de la déformation de la membrane 21b sont montés sur la membrane 21b. Pour des mesures en pression absolue, un passage de fluide 250 est pratiqué dans un côté du boîtier 200, éventuellement obturé par un film souple métallique inoxydable 260, et la structure micromécanique 100 est placée dans le boîtier 200 de sorte qu'une face de la membrane 21b soit sensiblement parallèle au plan principal du passage 250 afin de recevoir de façon optimale la pression du fluide rentrant (et dont la direction est représentée sur la figure 1 par la flèche 500). En outre, afin de protéger davantage la structure micromécanique 100 des altérations venant du milieu extérieur, on remplit l'espace restant 300 du boîtier 100 par un fluide adapté. This is why, with reference to FIG. 1, the micromechanical structure 100 is housed in a protective casing 200. A micromechanical structure 100 typically comprises a membrane assembly 120 comprising a membrane 21b and supported by a substrate 110. detection 130 of the deformation of the membrane 21b are mounted on the membrane 21b. For measurements in absolute pressure, a fluid passage 250 is formed in one side of the casing 200, possibly closed by a flexible stainless metal film 260, and the micromechanical structure 100 is placed in the casing 200 so that one face of the membrane 21b is substantially parallel to the main plane of the passage 250 to receive optimally the pressure of the incoming fluid (and whose direction is shown in Figure 1 by the arrow 500). In addition, in order to further protect the micromechanical structure 100 from alterations from the outside environment, the remaining space 300 of the housing 100 is filled with a suitable fluid.
Est typiquement choisi de l'huile pour remplir cette dernière fonction, 10 l'huile étant en outre un liquide incompressible et donc non susceptible de modifier les caractéristiques de la pression extérieure 500. Oil is typically chosen to fulfill this latter function, the oil being furthermore an incompressible liquid and thus not likely to modify the characteristics of the external pressure 500.
Le caractère incompressible de l'huile empêche aussi la deuxième face de la membrane 21b de ressentir la pression du fluide lorsque la membrane s'étend perpendiculairement à la direction du fluide. On a ainsi un ensemble de détection d'une pression absolue. The incompressible nature of the oil also prevents the second face of the membrane 21b from feeling the pressure of the fluid when the membrane extends perpendicular to the direction of the fluid. There is thus a set of detection of an absolute pressure.
A partir d'une température limite, l'huile peut perturber le fonctionnement des moyens de détection (tels que lesdits capteurs) voire détériorer ceux-ci. From a limit temperature, the oil can disturb the operation of the detection means (such as said sensors) or even deteriorate them.
Un premier objectif de l'invention est donc d'éviter cet inconvénient par rapport à ce type de boîtier 200 de l'état de la technique, tout en assurant une protection suffisante à la structure micromécanique contre les agressions du milieu extérieur. A first objective of the invention is therefore to avoid this disadvantage with respect to this type of housing 200 of the state of the art, while providing sufficient protection to the micromechanical structure against attacks from the outside environment.
Un deuxième objectif de l'invention est d'atteindre le premier objectif en prévoyant un ensemble de détection n'incluant pas d'huile. A second objective of the invention is to achieve the first objective by providing a detection assembly that does not include oil.
Un troisième objectif de l'invention est de protéger la membrane des 25 contacts électriques réalisés sur la structure micromécanique. A third object of the invention is to protect the membrane from the electrical contacts made on the micromechanical structure.
Un quatrième objectif de l'invention est de réaliser une mesure en pression absolue d'une grandeur physique dans un milieu hostile. A fourth objective of the invention is to perform an absolute pressure measurement of a physical quantity in a hostile environment.
A cet effet, l'invention propose selon un premier aspect un ensemble de détection de la pression d'un fluide, comportant une structure micromécanique incluant une membrane déformable et des moyens de détection de la déformation de la membrane, la membrane offrant une première face à la pression du fluide, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un couvercle fixé hermétiquement à la structure micromécanique par l'intermédiaire d'au moins une couche d'étanchéité pour définir une cavité fermée au-dessus de la deuxième face de la membrane. For this purpose, according to a first aspect, the invention proposes a fluid pressure detection assembly comprising a micromechanical structure including a deformable membrane and means for detecting the deformation of the membrane, the membrane providing a first face. at the pressure of the fluid, characterized in that it further comprises a lid hermetically fixed to the micromechanical structure via at least one sealing layer to define a closed cavity above the second face of the membrane.
D'autres caractéristiques de cet ensemble de détection de pression d'un fluide sont: - la couche d'étanchéité comprend des éléments métalliques, tels que l'or, ou un matériau amorphe, tel que le SiO2; -chaque moyen de détection est relié à un contact électrique par une piste électrique, et la couche d'étanchéité forme une bande continue qui chevauche chaque piste, entre le moyen de détection et le contact, et la couche d'étanchéité est isolée électriquement des pistes électriques; -la surface de la structure micrornécanique recevant la couche d'étanchéité est en silicium, en SiO2, en Si3N4 ou en verre; - la surface du couvercle recevant la couche d'étanchéité est en silicium ou en verre; - la pression interne existant dans ladite cavité fermée est déterminée pour que la membrane ait des limites de déformation déterminées dans des 20 conditions de pression de fluide limites déterminées; - ledit ensemble comprend en outre des pistes électriques se raccordant électriquement aux moyens de détection, et les raccords de ces pistes électriques sont situés hors de ladite cavité fermée; - au moins une piste électrique s'étend dans et hors d'un canal interne et 25 longitudinal à une paroi latérale du couvercle; ledit ensemble comprend en outre un boîtier pourvu sur un côté d'un passage pour le fluide, ladite structure micromécanique et le couvercle étant positionnés à l'intérieur du boîtier de sorte que la première face de la membrane puisse recevoir de façon optirnale la pression du fluide; ledit ensemble comprend des moyens pour fixer au boîtier de manière stable l'ensemble formé par la structure micromécanique et le couvercle, et ces moyens de fixation sont étanches au fluide et agencés de sorte à ne comporter aucune ouverture au fluide; - le boîtier est en outre ouvert du côté opposé audit passage pour le fluide; - la membrane comporte une couche en silicium avec ou sans une couche en matériau isolant électrique sous la couche en silicium, la couche en matériau isolant ayant une épaisseur suffisante pour isoler électriquement la couche de silicium. Other features of this fluid pressure sensing assembly are: the seal layer comprises metal elements, such as gold, or an amorphous material, such as SiO 2; each detecting means is connected to an electrical contact by an electrical track, and the sealing layer forms a continuous band which overlaps each track, between the detecting means and the contact, and the sealing layer is electrically insulated from electric tracks; the surface of the micromechanical structure receiving the sealing layer is made of silicon, SiO 2, Si 3 N 4 or glass; the surface of the cover receiving the sealing layer is made of silicon or glass; the internal pressure existing in said closed cavity is determined so that the membrane has defined deformation limits under determined limit fluid pressure conditions; said assembly further comprises electrical tracks electrically connected to the detection means, and the connections of these electrical tracks are located outside said closed cavity; at least one electrical track extends in and out of an internal and longitudinal channel to a side wall of the cover; said assembly further comprises a housing provided on one side of a fluid passage, said micromechanical structure and the cover being positioned within the housing so that the first face of the diaphragm can optially receive the pressure of the fluid; said assembly comprises means for stably securing to the casing the assembly formed by the micromechanical structure and the cover, and said fixing means are fluid-tight and arranged so as to have no openings for the fluid; - The housing is further open on the opposite side to said passage for the fluid; the membrane comprises a silicon layer with or without a layer of electrical insulating material under the silicon layer, the layer of insulating material having a thickness sufficient to electrically isolate the silicon layer.
Selon un deuxième aspect, l'invention propose un procédé pour réaliser un ensemble de détection de la pression d'un fluide, à partir d'une structure micromécanique comportant une membrane déformable et des moyens de détection de la déformation de la membrane, et d'un couvercle comprenant une cavité ouverte dont la surface d'ouverture est apte à recouvrir une des deux faces de la membrane, le procédé comportant les étapes suivantes: (a) former une couche d'étanchéité sur une zone située sur la structure micromécanique tout autour de la membrane et/ou sur le couvercle tout autour de la cavité ouverte; (b) sceller hermétiquement le couvercle et/ou la structure micromécanique à la couche d'étanchéité de sorte que la cavité recouvre la membrane. According to a second aspect, the invention proposes a method for producing a set of detection of the pressure of a fluid, from a micromechanical structure comprising a deformable membrane and means for detecting the deformation of the membrane, and a lid comprising an open cavity whose opening surface is capable of covering one of the two faces of the membrane, the method comprising the following steps: (a) forming a sealing layer on an area located on the micromechanical structure while around the membrane and / or on the lid all around the open cavity; (b) hermetically sealing the lid and / or micromechanical structure to the sealing layer so that the cavity covers the membrane.
D'autres caractéristiques de ce procédé de réalisation d'un ensemble de détection de pression d'un fluide sont: - la couche d'étanchéité est constituée des éléments métalliques, tels que de l'or, l'étape (a) comprenant alors la formation d'une couche en éléments métalliques; - il existe au moins une interface silicium métal entre la zone destinée à recevoir la couche d'étanchéité et la couche d'étanchéité, et l'étape (a) comprend la mise en oeuvre d'un traiternent thermique apte à réaliser un scellement eutectique de cette interface; - ledit procédé comprend en outre, préalablement à l'étape (a), une formation d'une couche en matériau amorphe sur la zone destinée à recevoir la couche d'étanchéité, l'étape (a) comprenant la formation de la couche d'étanchéité sur la couche en matériau amorphe; - la couche d'étanchéité est alors formée de sorte à comprendre un matériau amorphe; - la formation de la couche en matériau amorphe comprend le dépôt du matériau amorphe suivi d'un amincissement de celui-ci par rotation rapide de la structure micromécanique autour d'un axe sensiblement perpendiculaire (cette technique étant encore appelée spin coating ) ; - le matériau amorphe contient de l'oxyde de silicium ou du nitrure de silicium; - la couche d'étanchéité est formée sur la structure micromécanique tout autour de la membrane en une bande continue, et la structure micromécanique est réalisée de sorte que chaque moyen de détection soit relié à son contact électrique par une piste électrique s'étirant sur une distance déterminée supérieure ou égale à la largeur de la couche d'étanchéité, la couche d'étanchéité ayant une portion formée sur chaque piste; - ledit procédé comprend en outre une étape permettant d'isoler électriquement la couche d'étanchéité des pistes électriques; ledit procédé comprend en outre, avant l'étape (a), la réalisation de la cavité du couvercle comportant une opération de masquage adapté et une opération de gravure chimique de la partie non masquée représentant la cavité ; -ledit procédé comprend en outre, avant l'étape (a), la réalisation d'au moins un canal traversant longitudinalement une paroi latérale du couvercle; - ledit procédé comprend en outre un raccordement électrique de pistes électriques aux moyens de détection de sorte que les raccords de ces pistes électriques soient situés hors de ladite cavité fermée; -le raccordement électrique de lignes électriques aux moyens de détection comprend l'introduction et le guidage jusqu'au lieu du raccord électrique, d'au moins une piste électrique dans au moins un canal traversant longitudinalement une paroi latérale du couvercle; - il est prévu un boîtier apte à contenir la structure micromécanique et le couvercle et à protéger ces derniers du milieu extérieur, le boîtier comportant un passage pour le fluide pratiqué sur une de ses faces, le procédé comprend un positionnement du couvercle et de la structure micromécanique dans le boîtier de sorte que la première face de la membrane soit en vis-à-vis et s'étende sensiblement parallèlement au passage de fluide, et il comprend une fixation stable de l'ensemble formé par la structure micromécanique et le couvercle, aux parois internes du boîtier; - la fixation stable de l'ensemble formé par la structure micromécanique et le couvercle, aux parois internes du boîtier, est réalisé avec un matériau offrant une étanchéité au fluide et avec des moyens de fixation n'offrant aucune ouverture au fluide; - l'ensemble formé par la structure micromécanique et le couvercle est positionné dans le boîtier par une ouverture prévue dans le boîtier du côté opposé audit passage pour le fluide. Other features of this method of producing a fluid pressure detection assembly are: the sealing layer consists of metallic elements, such as gold, the step (a) comprising then the formation of a layer of metal elements; there is at least one silicon metal interface between the zone intended to receive the sealing layer and the sealing layer, and the step (a) comprises the implementation of a thermal treatment capable of achieving an eutectic sealing this interface; said method further comprises, prior to step (a), forming a layer of amorphous material on the zone intended to receive the sealing layer, step (a) comprising the formation of the layer of sealing on the layer of amorphous material; the sealing layer is then formed so as to comprise an amorphous material; the formation of the layer of amorphous material comprises the deposition of the amorphous material followed by a thinning thereof by rapid rotation of the micromechanical structure around a substantially perpendicular axis (this technique is also called spin coating); the amorphous material contains silicon oxide or silicon nitride; the sealing layer is formed on the micromechanical structure all around the membrane in a continuous strip, and the micromechanical structure is made so that each detection means is connected to its electrical contact by an electrical track stretching over a determined distance greater than or equal to the width of the sealing layer, the sealing layer having a portion formed on each track; said method further comprises a step for electrically isolating the sealing layer from the electric tracks; said method further comprises, prior to step (a), providing the lid cavity having a suitable masking operation and a chemical etching operation of the unmasked portion representing the cavity; said method further comprises, before step (a), producing at least one channel traversing longitudinally a side wall of the lid; said method further comprises an electrical connection of electric tracks to the detection means so that the connections of these electrical tracks are located outside said closed cavity; -the electrical connection of power lines to the detection means comprises the introduction and guiding to the place of the electrical connection, at least one electrical track in at least one channel longitudinally passing through a side wall of the cover; - There is provided a housing adapted to contain the micromechanical structure and the cover and to protect the latter from the external environment, the housing having a passage for the fluid on one of its faces, the method comprises a positioning of the cover and the structure micromechanical in the housing so that the first face of the membrane is vis-à-vis and extends substantially parallel to the fluid passage, and it comprises a stable attachment of the assembly formed by the micromechanical structure and the cover, the inner walls of the housing; the stable fastening of the assembly formed by the micromechanical structure and the cover, to the internal walls of the housing, is made of a material offering fluid tightness and with fixing means offering no opening to the fluid; the assembly formed by the micromechanical structure and the cover is positioned in the housing by an opening provided in the housing on the opposite side to said passage for the fluid.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de 25 la description qui suit qui est purement illustrative et non limitative et qui sera lue en regard des dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente une vue en coupe d'un ensemble de détection selon l'état de la technique. Other features, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and nonlimiting, and which will be read with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 represents a sectional view of a set detection according to the state of the art.
La figure 2 représente une vue en coupe d'une structure micromécanique. Figure 2 shows a sectional view of a micromechanical structure.
Les figures 3a et 3b représentent un premier ensemble de détection d'une pression d'un fluide selon l'invention, respectivement selon une vue en coupe selon II-II et selon une vue dans le piani-1. Figures 3a and 3b show a first set of detection of a pressure of a fluid according to the invention, respectively in a sectional view along II-II and in a view in the piani-1.
La figure 4 représente un deuxième ensemble de détection selon 5 l'invention selon une vue en coupe. FIG. 4 represents a second detection assembly according to the invention in a sectional view.
En référence à la figure 3a, un ensemble de détection d'une pression selon l'invention est représentée, cet ensemble de détection de pression comprenant: - une structure micromécanique 100 comprenant une membrane 21b déformable sous l'action d'une pression de fluide 500 et offrant une première face 1 à la pression du fluide 500, un support 21a de cette membrane 21b, et des moyens de détection 20a, 20b et 20c aptes à détecter et éventuellement à mesurer la déformation de la membrane 21b lorsque celle-ci subit une pression; - un couvercle 600 fixé hermétiquement à la structure micromécanique 100 par l'intermédiaire de la couche d'étanchéité 700, et définissant une cavité fermée 800 au-dessus de la deuxième face 2 de la membrane 21b; - des pistes électriques 450 se raccordant électriquement aux contacts électriques 24a1 des moyens de détection 20a. With reference to FIG. 3a, a pressure detection assembly according to the invention is shown, this pressure detection assembly comprising: a micromechanical structure 100 comprising a membrane 21b deformable under the action of a fluid pressure 500 and providing a first face 1 to the pressure of the fluid 500, a support 21a of this membrane 21b, and detection means 20a, 20b and 20c able to detect and possibly measure the deformation of the membrane 21b when it undergoes a pressure; a cover 600 hermetically fixed to the micromechanical structure 100 via the sealing layer 700, and defining a closed cavity 800 above the second face 2 of the membrane 21b; electrical tracks 450 electrically connected to the electrical contacts 24a1 of the detection means 20a.
En référence à la figure 2, est représenté un exemple de structure micromécanique 100. With reference to FIG. 2, an example of a micromechanical structure 100 is shown.
Cet exemple de structure micromécanique 100 est de type SOI (acronyme anglo-saxon de Silicon On Insulator ), et comporte un ensemble de membrane 21 présentant un espace vacant 40 de sorte à former une structure suspendue 21b et un support 21a. Cet espace vacant 40 peut par exemple être formé en employant notamment une gravure chimique, et/ou une gravure de type RIE (acronyme anglo-saxon de Reactive Ion Etching qui signifie Gravure par ions réactifs) en face arrière. This example of micromechanical structure 100 is SOI type (acronym for Silicon On Insulator), and comprises a membrane assembly 21 having a vacant space 40 so as to form a suspended structure 21b and a support 21a. This vacant space 40 may for example be formed by employing in particular a chemical etching, and / or a type of engraving RIE (acronym for Reactive Ion Etching which means reactive ion etching) on the back face.
En variante, l'espace vacant 40 discuté plus haut peut être réalisé postérieurement à la formation de la couche d'étanchéité 700 selon l'invention (dont il sera question plus bas). As a variant, the vacant space 40 discussed above may be produced after the formation of the sealing layer 700 according to the invention (which will be discussed below).
La membrane est alors constituée par la structure suspendue 21b ainsi 5 que par toutes les couches ou portions de couches qu'elle supporte. The membrane is then constituted by the suspended structure 21b as well as by all the layers or portions of layers that it supports.
Cet ensemble de membrane 21 est par exemple constitué de silicium monocristallin. This membrane assembly 21 is for example made of monocrystalline silicon.
La structure micromécanique 100 comporte en outre sur l'ensemble de membrane 21 une couche électriquement isolante 22, telle qu'une couche de 10 SiO2. The micromechanical structure 100 further includes on the membrane assembly 21 an electrically insulating layer 22, such as a layer of SiO2.
La membrane de la structure micromécanique 100 est alors ici constituée de la partie fine 21b et de la portion de la couche isolante 22 qui la recouvre. The membrane of the micromechanical structure 100 is then constituted by the thin portion 21b and the portion of the insulating layer 22 which covers it.
Sur la couche isolante 22, la structure micromécanique 100 comporte plusieurs moyens de détection 20a, 20b et 20c. Chaque moyen de détection comporte une micro-structure en silicium monocristallin (ici référencée 23a ou 23b) située sur une zone localisée de la structure suspendue 21b du support 21 et de la partie épaisse 21a du support 21. Le nombre de ces microstructures 23a et 23b peut être paire, par exemple deux, quatre ou six. Ces micro-structures 23a et 23b peuvent être formées à partir d'une couche de silicium initiale, par exemple par photolithographie et gravure chimique ou plasma. On the insulating layer 22, the micromechanical structure 100 comprises several detection means 20a, 20b and 20c. Each detection means comprises a monocrystalline silicon microstructure (here referenced 23a or 23b) located on a localized area of the suspended structure 21b of the support 21 and of the thick part 21a of the support 21. The number of these microstructures 23a and 23b can be pair, for example two, four or six. These micro-structures 23a and 23b may be formed from an initial silicon layer, for example by photolithography and chemical etching or plasma.
Cette structure micromécanique 100 peut être de type SOI, les microstructures 23a et 23b étant en silicium et forrnant alors la partie en silicium du SOI, la couche isolante 22 formant la partie isolante du SOI. This micromechanical structure 100 may be of the SOI type, the microstructures 23a and 23b being made of silicon and then forming the silicon part of the SOI, the insulating layer 22 forming the insulating part of the SOI.
La membrane (constituée ici de la structure suspendue 21b et de la portion de la couche isolante 22 qu'elle supporte) peut se déformer sous l'effet d'une modification de la pression mécanique 500 appliquée par un fluide statique ou en mouvement, dans une direction perpendiculaire à la membrane. The membrane (here constituted by the suspended structure 21b and the portion of the insulating layer 22 that it supports) can be deformed under the effect of a modification of the mechanical pressure 500 applied by a static fluid or in motion, in a direction perpendicular to the membrane.
La déformation de la membrane 21b-22, sous l'action de ces forces extérieures, entraîne des modifications de propriétés physiques des microstructures 23a et 23b (modifications de propriétés électriques ou modifications de contraintes mécaniques intrinsèques). The deformation of the membrane 21b-22, under the action of these external forces, causes changes in the physical properties of microstructures 23a and 23b (changes in electrical properties or changes in intrinsic mechanical stresses).
Les micro-structures 23a et 23b servent ainsi de détecteur (et éventuellement d'élément de mesure) de la pression appliquée, pour éventuellement mesurer ensuite une grandeur physique recherchée (par exemple une pression mécanique ou une accélération), par l'observation que l'on peut faire desdites modifications de propriétés physiques. The microstructures 23a and 23b thus serve as a detector (and possibly a measuring element) of the pressure applied, to optionally subsequently measure a desired physical quantity (for example a mechanical pressure or an acceleration), by the observation that the one can make said modifications of physical properties.
Ces micro-structures 23a et 23b peuvent par exemple chacune remplir une fonction de jauge de contraintes. These micro-structures 23a and 23b may for example each fulfill a function of strain gauge.
Optionnellement, on prévoit un masque de photolithographie couvrant une surface se rebouclant sur elle-même et entourant une partie centrale de la membrane de sorte à laisser, après gravure, une marche en silicium sur laquelle pourra venir s'appuyer le couvercle 600 par l'intermédiaire de la couche d'étanchéité 700 (non représentée). Optionally, there is provided a photolithography mask covering a surface looping on itself and surrounding a central portion of the membrane so as to leave, after etching, a step in silicon on which the cover 600 can be supported by the intermediate of the sealing layer 700 (not shown).
Les moyens de détection 20a, 20b en outre comportent des parties métalliques 24a et 24b formées par exemple par dépôt sous vide suivi de photolithographie et gravure chimique sur, respectivement, les microstructures 23a et 23b, définissant sur ces micro-structures 23a et 23b des zones de liaison électrique 25a et 25b de type métal/semiconducteur. Elles comprennent en outre une piste métallique s'étendant vers l'extérieur de la membrane pour venir se raccorder à des contacts métalliques 24a1 et 24b1 destinés à faire fonction de bornes de branchement à des moyens extérieurs de gestion des mesures. Ces contacts électriques 24a1 et 24b1 sont avantageusement situés en périphérie de la structure micromécanique 100 de sorte à être le plus éloigné possible du centre de la membrane. The detection means 20a, 20b further comprise metal parts 24a and 24b formed for example by vacuum deposition followed by photolithography and chemical etching on, respectively, the microstructures 23a and 23b, defining on these microstructures 23a and 23b zones electrical connection 25a and 25b of metal / semiconductor type. They further comprise a metal track extending outwardly of the membrane to be connected to metal contacts 24a1 and 24b1 intended to act as connection terminals to external measurement management means. These electrical contacts 24a1 and 24b1 are advantageously located at the periphery of the micromechanical structure 100 so as to be as far as possible from the center of the membrane.
Ces couches métalliques 24a et 24b peuvent par exemple être constituées d'Aluminium. These metal layers 24a and 24b may for example be made of aluminum.
Selon une option de l'invention, la structure micromécanique 100 est réalisée de sorte que chaque piste électrique s'étire sur une distance déterminée de sorte qu'une couche d'étanchéité 700 (voir figure 3a) formée ultérieurement en une bande continue tout autour de la membrane puisse s'étendre sur la piste, entre le moyen de détection 20a et son contact électrique 24a1, sur une largeur inférieure à ladite distance. Ainsi, la couche d'étanchéité 700 forme une bande continue qui chevauche chaque piste, entre le moyen de détection et le contact. Le scellage du couvercle 600 à la structure micromécanique 100 sera alors réalisé entre le moyen de détection 20a et son contact électrique 24a1. According to an option of the invention, the micromechanical structure 100 is made so that each electric track stretches over a determined distance so that a sealing layer 700 (see FIG. 3a) subsequently formed into a continuous band all around the membrane may extend on the track, between the detection means 20a and its electrical contact 24a1, over a width less than said distance. Thus, the sealing layer 700 forms a continuous band that overlaps each track, between the sensing means and the contact. Sealing of the cover 600 to the micromechanical structure 100 will then be performed between the detection means 20a and its electrical contact 24a1.
Afin de protéger les moyens de détection 23a et 23b en silicium contre des agressions extérieures (frottement mécanique, contamination 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. In order to protect the silicon detection means 23a and 23b against external aggression (mechanical friction, chemical contamination, etc.), a nitride-containing passivation layer, such as a SiXNY layer, 26a and 26b, is disposed directly under the metal layers 24a and 24b, with the exception of the electrical connection zones 25a and 25b.
Cette couche de passivation 26a, 26b participe en outre à l'isolation électrique des couches métalliques 24a et 24b d'avec le reste de la structure micromécanique 100, à l'exception des contacts électriques 25a et 25b. This passivation layer 26a, 26b also contributes to the electrical insulation of the metal layers 24a and 24b with the rest of the micromechanical structure 100, with the exception of the electrical contacts 25a and 25b.
Bien entendu, cette structure micromécanique 100 discutée n'a été présentée 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 de structure micromécanique 100, telles que des structures micromécaniques de type PSOI ( Polysilicon On Insulator ) , SOS ( Silicon On Saphir ), SiCOI ( SiC On Insulator ), SiC ou Si. Of course, this micromechanical structure 100 discussed here has been presented by way of example and is not limited to a SOI structure, the skilled person will understand that the invention can be implemented with other types of micromechanical structure 100, such as micromechanical structures of PSOI (Polysilicon On Insulator), SOS (Silicon On Sapphire), SiCOI (SiC On Insulator), SiC or Si type.
En référence aux figures 3a et 3b, un collage d'un couvercle 600 est effectué sur la structure micromécanique 100. With reference to FIGS. 3a and 3b, a bonding of a cover 600 is performed on the micromechanical structure 100.
Le couvercle 600 comprend une cavité ouverte dont la surface d'ouverture 25 est apte à recouvrir une des deux faces 1 ou 2 de la membrane. The lid 600 comprises an open cavity whose opening surface 25 is able to cover one of the two faces 1 or 2 of the membrane.
Le couvercle 600 peut être réalisé à partir d'une plaque initiale ayant une épaisseur sensiblement constante. La cavité du couvercle 600 peut être faite au moyen d'une gravure chimique comportant préalablement une opération de masquage d'une surface non masquée représentant la cavité. En référence à la figure 3b, la ligne fermée en pointillée référencée 21b représente la surface de la face 2 de la membrane, le masque du couvercle doit donc recouvrir tout sauf cette surface ou une surface un peu plus grande. The lid 600 may be made from an initial plate having a substantially constant thickness. The cavity of the lid 600 may be made by means of a chemical etching having previously a masking operation of an unmasked surface representing the cavity. With reference to FIG. 3b, the dotted closed line referenced 21b represents the surface of the face 2 of the membrane, the mask of the lid must therefore cover everything except this surface or a slightly larger surface.
En outre, des canaux 610, 611, 612, 613 traversant longitudinalement une ou des parois latérales du couvercle 600 dont le diamètre et la position de chacun sont déterminés de sortie à pouvoir y introduire et y guider des pistes métalliques 450, 451, 452, 453 jusqu'aux contacts électriques (dont le contact 24a1) des moyens de détection (dont le moyen de détection 20a). Diverses techniques (mécaniques, laser, chimiques) peuvent être utilisées pour pratiquer ces canaux 610, 611, 612, 613. En outre, on pourra prévoir un petit retrait de matière aux embouts des canaux pour que ces derniers ne viennent pas en butée contre les contacts électriques (dont le contact 24e1). In addition, channels 610, 611, 612, 613 passing longitudinally through one or more side walls of the cover 600, the diameter and position of each of which are determined to be able to introduce and guide metal tracks 450, 451, 452 therein. 453 to the electrical contacts (including the contact 24a1) of the detection means (including the detection means 20a). Various techniques (mechanical, laser, chemical) can be used to practice these channels 610, 611, 612, 613. In addition, we can provide a small withdrawal of material to the ends of the channels so that they do not come into abutment against electrical contacts (whose contact 24e1).
Dans un autre cas de figure, le couvercle 600 est formé en un seul bloc. Le couvercle 600 peut être par exemple en verre ou en silicium. L'opération suivante consiste à coller le couvercle 600 à la structure micromécanique 100, formant alors la cavité fermée 800 au-dessus de la deuxième face 2 de la membrane. In another case, the lid 600 is formed in a single block. The lid 600 may be for example glass or silicon. The following operation consists in sticking the lid 600 to the micromechanical structure 100, then forming the closed cavity 800 above the second face 2 of the membrane.
Pour obtenir l'étanchéité de la cavité fermée 800 vis à vis de l'extérieur, et notamment de la pression que peut exercer le fluide 500, le couvercle 600 est scellé à la structure micromécanique 100 par l'intermédiaire d'au moins une couche d'étanchéité 700 adaptée. To obtain the tightness of the closed cavity 800 with respect to the outside, and in particular the pressure that can exert the fluid 500, the lid 600 is sealed to the micromechanical structure 100 via at least one layer sealing 700 adapted.
Un simple collage par adhésion moléculaire et/ou par l'intermédiaire d'une couche de collage telle qu'une couche d'oxyde ou une couche de nitrure, suivi d'un recuit thermique, n'est pas suffisant pour assurer une très bonne étanchéité. A simple bonding by molecular adhesion and / or via a bonding layer such as an oxide layer or a nitride layer, followed by thermal annealing, is not sufficient to ensure a very good seal.
Selon l'invention, on prévoit une couche d'étanchéité 700 comprenant des espèces métalliques qu'on viendra déposer pour réaliser l'étanchéité souhaitée. According to the invention, there is provided a sealing layer 700 comprising metallic species that will be deposited to achieve the desired seal.
Cette couche d'étanchéité 700 peut d'abord être formée sur le couvercle 600 ou sur la structure micromécanique 100. This sealing layer 700 may first be formed on the cover 600 or on the micromechanical structure 100.
On forme alors la couche d'étanchéité 700 sur une zone située sur la structure micromécanique 100 tout autour de la membrane ou sur le couvercle 600 tout autour de la cavité ouverte. The sealing layer 700 is then formed on an area on the micromechanical structure 100 all around the membrane or on the cover 600 all around the open cavity.
Préférentiellement, on choisira de la déposer sur la structure micromécanique 100. En effet, la structure micromécanique 100 présente en surface des éléments en relief (jauges 20a, 20b, 20c) qui peuvent poser plus de problèmes au collage qu'au dépôt, alors que le couvercle 600 sera réalisé de sorte à présenter des surfaces de scellage planes, plus propice donc au scellage. Afin de compenser les reliefs en surface de la structure micromécanique 100, on forme une couche d'étanchéité 700 épaisse, c'est à dire de plusieurs micromètres. Preferably, it will be chosen to deposit it on the micromechanical structure 100. In fact, the micromechanical structure 100 has on the surface elements in relief (gauges 20a, 20b, 20c) which can pose more problems to the bonding than to the deposit, whereas the lid 600 will be made so as to have flat sealing surfaces, thus more conducive to sealing. In order to compensate for the reliefs on the surface of the micromechanical structure 100, a thick sealing layer 700 is formed, that is to say several micrometers.
Préalablement à la formation de la couche d'étanchéité, une préparation de la zone destinée à la recevoir peut être mise en oeuvre, de sorte par exemple à l'isoler électriquement, à la lisser, et/ou à la nettoyer. Prior to the formation of the sealing layer, a preparation of the zone intended to receive it may be implemented, for example to isolate it electrically, to smooth it, and / or to clean it.
Selon une première réalisation, la couche d'étanchéité 700 comprend de l'or au moins en quantité substantielle, ou est constituée quasiment entièrement ou entièrement d'or. L'or a l'avantage d'être ductile, et il constitue donc un matériau de choix pour compenser les reliefs en surface de la structure micromécanique 100. According to a first embodiment, the sealing layer 700 comprises gold at least in substantial amount, or is constituted almost entirely or entirely of gold. Gold has the advantage of being ductile, and it is therefore a material of choice to compensate for the reliefs on the surface of the micromechanical structure 100.
La couche d'étanchéité 700 est alors déposée, par exemple par pulvérisation, à l'épaisseur souhaitée. The sealing layer 700 is then deposited, for example by spraying, to the desired thickness.
Un traitement thermique peut être éventuellement mis en oeuvre pour améliorer l'adhérence et/ou la ductilité de l'or. Ce traitement thermique est notamment avantageux dans le cas où on a des interfaces couche d'étanchéité 700 structure micromécanique 100 de type or silicium , car un traitement thermique adapté peut réaliser un scellement eutectique. Un tel scellement eutectique va alors encore assurer une meilleure étanchéité. A heat treatment may optionally be implemented to improve the adhesion and / or the ductility of the gold. This heat treatment is particularly advantageous in the case where there is a silicon-type micromechanical structure 100 micromechanical structure 100, because a suitable heat treatment can achieve eutectic sealing. Such an eutectic seal will then still provide a better seal.
Selon une deuxième réalisation, la couche d'étanchéité 700 comprend du matériau de type SiO2 au moins en quantité substantielle, ou est constituée quasiment entièrement ou entièrement de matériau amorphe. On pourra alors compenser les reliefs en surface de la structure micromécanique 100 en adoucissant le matériau amorphe lors d'un traitement thermique ou en employant une technique appelée spin coating , connue de l'homme du métier, permettant d'amincir la couche par rotation rapide de la tranche autour d'un axe sensiblement perpendiculaire. In a second embodiment, the sealing layer 700 comprises SiO 2 material at least in substantial amount, or consists almost entirely or entirely of amorphous material. It will then be possible to compensate for the surface reliefs of the micromechanical structure 100 by softening the amorphous material during a heat treatment or by employing a technique known as spin coating, known to those skilled in the art, making it possible to thin the layer by rapid rotation. of the wafer about a substantially perpendicular axis.
Une prochaine opération peut consister à former l'espace vacant 40 si celui-ci n'a pas été formé auparavant. La technique employée est alors sensiblement identique à ce qui a été décrit ci-dessus. A next operation may consist in forming the vacant space 40 if it has not been formed before. The technique employed is then substantially identical to what has been described above.
Une fois la couche d'étanchéité 700 formée, une étape de scellement du couvercle 600 sur cette couche d'étanchéité 700 est mise en oeuvre. Once the sealing layer 700 has been formed, a step of sealing the cover 600 on this sealing layer 700 is carried out.
Une préparation des surfaces à sceller est alors nécessaire pour assurer un scellement hermétique et solide. A preparation of the surfaces to be sealed is then necessary to ensure a hermetic and solid seal.
Par exemple, on pourra mettre en oeuvre un nettoyage. For example, we can implement a cleaning.
Par exemple, dans le cas où le couvercle 600 est en verre, on pourra notamment nettoyer la surface destinée à être mise en contact avec la couche d'étanchéité 700 à l'aide d'espèces chimiques de type H2SO41H202. Par exemple, on pourra notamment nettoyer ou préparer la surface de la couche d'étanchéité à l'aide d'espèces chimiques 02 sous plasma. For example, in the case where the lid 600 is made of glass, it will be possible to clean the surface intended to be brought into contact with the sealing layer 700 by means of chemical species of H2SO41H202 type. For example, it will be possible in particular to clean or prepare the surface of the sealing layer using 02 chemical species in plasma.
Après le nettoyage on pourra alors mettre en oeuvre une déshydratation 20 de chacune des surfaces à sceller. After cleaning, it will then be possible to dehydrate each of the surfaces to be sealed.
L'alignement et la mise en contact du couvercle 600 avec la couche d'étanchéité 700 sont alors réalisés de sorte que la cavité du couvercle 600 recouvre entièrement la deuxième face 2 de la membrane et forme alors la cavité fermée 800. Un premier collage léger est alors réalisé. The alignment and the contacting of the cover 600 with the sealing layer 700 are then performed so that the cavity of the cover 600 completely covers the second face 2 of the membrane and then forms the closed cavity 800. A first light bonding is then realized.
Enfin, un scellement tranche à tranche est réalisé sous vide. On pourra à cet égard déterminer le vide ou la pression interne existant dans ladite cavité fermée 800 de sorte que la membrane ait des limites de déformation déterminées dans des conditions de pression de fluide limites déterminées. Finally, a slice-to-slice seal is made under vacuum. In this respect, it will be possible to determine the vacuum or the internal pressure existing in said closed cavity 800 so that the membrane has defined deformation limits under determined limit fluid pressure conditions.
Des pistes électriques 450, 451, 452, 453 sont alors raccordées électriquement aux jauges 20a, 20b, 20c (ainsi qu'une quatrième jauge non représentée car en dehors de la vue en coupe de la figure 3a) au niveau de leurs contacts respectifs (dont le contact 24a1 de la jauge 20a) de sorte que les raccords de ces pistes électriques soient situés hors de ladite cavité fermée 800. On peut raccorder ces pistes électriques hors de la cavité fermée 800 en ayant pu sceller au préalable le couvercle 600 notamment à une zone située entre chaque contact électrique 24a1 et chaque jauge 20a (i.e. en ayant prévu aussi un espacement suffisant entre chaque jauge et son contact électrique respectif pour pouvoir étendre entre eux une portion de la couche d'étanchéité 700 et la partie basse du couvercle 600, comme déjà expliqué plus haut). Electrical tracks 450, 451, 452, 453 are then electrically connected to the gauges 20a, 20b, 20c (and a fourth gauge, not shown because outside the sectional view of FIG. 3a) at their respective contacts ( whose contact 24a1 of the gauge 20a) so that the connections of these electrical tracks are located outside said closed cavity 800. These electrical tracks can be connected out of the closed cavity 800 having been able to seal the cover 600 beforehand, in particular to a zone located between each electrical contact 24a1 and each gauge 20a (ie having also provided a sufficient spacing between each gauge and its respective electrical contact to be able to extend between them a portion of the sealing layer 700 and the lower part of the lid 600 as already explained above).
Les pistes 450, 451, 452, 453 peuvent par exemple être de type plot rigide à tête semi sphérique (tel que représenté) ou filaire. The tracks 450, 451, 452, 453 may for example be of the rigid pad type semi-spherical head (as shown) or wired.
Dans le cas où des canaux traversants 610, 611, 612, 613 ont été prévus dans des parois transversales du boîtier 60C), on peut alors y introduire et y guider les pistes 450, 451, 452, 453 jusqu'au lieu du raccord électrique. In the case where through channels 610, 611, 612, 613 have been provided in transverse walls of the housing 60C), tracks 450, 451, 452, 453 can then be introduced and guided to the location of the electrical connection. .
Dans un autre cas de figure, les pistes 450, 451, 452, 453 sont raccordées à l'extérieur du boîtier 600 et de la cavité fermée 800. In another case, the tracks 450, 451, 452, 453 are connected outside the housing 600 and the closed cavity 800.
En référence à la figure 3b, une vue de dessus de l'ensemble permet de donner un aperçu des dimensions de ses différentes parties: la surface à l'intérieur des traits pointillés 21b représentant la membrane, la surface à l'intérieur des traits pointillés 90 représentant la puce électrique (celle-ci comprenant la membrane, les moyens de détection (20a, 20b, 20c) ainsi que les contacts électriques (24a1) respectifs de ces derniers). With reference to FIG. 3b, a view from above of the assembly makes it possible to give a glimpse of the dimensions of its different parts: the surface inside the dashed lines 21b representing the membrane, the surface inside the dashed lines 90 representing the electrical chip (the latter comprising the membrane, the detection means (20a, 20b, 20c) and the respective electrical contacts (24a1) thereof).
En référence à la figure 4b, est représenté, selon une vue en coupe, un autre ensemble de détection selon l'invention dans lequel se trouve un ensemble de détection similaire à celui représenté sur la figure 3a (et 3b) et un boîtier de protection 900. Referring to Figure 4b, is shown, in a sectional view, another detection assembly according to the invention in which there is a detection assembly similar to that shown in Figure 3a (and 3b) and a protective housing 900.
Le boîtier 900 est apte à contenir la structure micromécanique 100 et le couvercle 600 et à protéger ces derniers du milieu extérieur. II peut être réalisé en matériau métallique ou céramique. The housing 900 is able to contain the micromechanical structure 100 and the cover 600 and to protect the latter from the outside environment. It can be made of metallic or ceramic material.
Le boîtier 900 comporte un passage 950 pour le fluide pratiqué sur une de ses faces. On positionne le couvercle 600 et la structure micromécanique 100 dans le boîtier 900 de sorte que la première face 1 de la membrane soit face et s'étende sensiblement parallèlement au passage de fluide 950.Eventuellement, une ouverture 970 est prévue dans le boîtier 900 du côté opposé audit passage 950 pour le fluide 500 de sorte à pouvoir y introduire l'ensemble formé par la structure micromécanique 100 et le couvercle 600 et à le positionner dans le boîtier 900. The housing 900 includes a passage 950 for the fluid on one of its faces. The cover 600 and the micromechanical structure 100 are positioned in the housing 900 so that the first face 1 of the membrane is facing and extends substantially parallel to the fluid passage 950. Optionally, an opening 970 is provided in the housing 900 of the opposite side to said passage 950 for the fluid 500 so as to be able to introduce the assembly formed by the micromechanical structure 100 and the lid 600 and to position it in the housing 900.
L'ensemble formé par la structure micromécanique 100 et le couvercle 600 est fixé de façon stable aux parois internes du boîtier 900 par des moyens de fixation 960. Le matériau dans lequel sont réalisés les moyens de fixation est choisi pour offrir une étanchéité au fluide 500. The assembly formed by the micromechanical structure 100 and the lid 600 is stably fixed to the inner walls of the casing 900 by fastening means 960. The material in which the fastening means are made is chosen to provide fluid tightness 500 .
Optionnellement, ces moyens de fixation n'offrent aucune ouverture au fluide 500. Ainsi, il y aura peu ou pas de fuite du fluide 50C) latéralement à la structure micromécanique 100 et au couvercle 600, le fluide 500 étant alors uniquement dirigé vers la première face 1 de la membrane. Optionally, these fixing means offer no opening to the fluid 500. Thus, there will be little or no leakage of the fluid 50C) laterally to the micromechanical structure 100 and the lid 600, the fluid 500 being then directed only to the first face 1 of the membrane.
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