FR2888933A1 - Capteur de conductivite thermique, procede de fabrication et procede de mise en oeuvre du capteur - Google Patents

Abstract

Détecteur de conductivité thermique (10) comportant une matière de substrat (20) et une membrane (30), avec un élément chauffant (31) prévu dans ou sur la membrane (30) ainsi qu'un élément de mesure de température (32).La membrane (30) est fabriquée en micro-mécanique de surface et l'élément de mesure de température (32) est un élément thermique.

Description

Domaine de l'invention

La présente invention concerne un capteur de conductivité thermique comportant une matière de substrat et une membrane, avec un élément chauffant prévu dans ou sur la membrane ainsi qu'un élément de mesure de température.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel capteur ainsi qu'un procédé de mise en oeuvre d'un tel capteur.

Les capteurs de conductivité thermique sont connus de manière générale. Depuis un certain temps on utilise des éléments de capteur à microstructure pour mesurer la conductivité thermique d'un gaz. Ces éléments se composent de manière générale d'une membrane entourée par un substrat de silicium. Cette membrane porte des structures métalliques fonctionnant comme des résistances électriques. Ces résistances dépendant de la température sont utilisées à la fois pour chauffer la membrane et pour mesurer la température de la membrane (c'est-à-dire qu'ils fonctionnent comme des thermistors). Le document DE-42 28 484-Al décrit un capteur de mesure de température servant à mesurer la température d'une veine d'air. Le capteur de me-sure de température comporte un cadre en silicium monocristallin sur lequel est tendue une membrane. Un élément de mesure de température est prévu sur la membrane.

Les éléments de capteur, connus du type composants micromécaniques ont l'inconvénient de nécessiter une impulsion de température relativement importante pour permettre de mesurer la conductivité thermique d'un gaz, impulsion qui se traduit par une élévation au moins provisoire de la température au niveau de la membrane du détecteur allant jusqu'à environ 150 K. Un autre inconvénient réside dans la construction complexe du boîtier du capteur pour garantir le fonctionnement du dispositif de capteur avec une grande probabilité pendant toute la durée de vie.

Exposé et avantages de l'invention L'invention concerne un capteur de conductivité thermique du type défini ci-dessus caractérisé en ce que la membrane est une membrane fabriquée en micro-mécanique de surface et l'élément de me- sure de température est un élément thermique.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel capteur caractérisé en ce que la membrane est réalisée dans la matière de substrat ou est appliquée sur la matière de substrat par un procédé de fabrication en micromécanique de surface.

L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre d'un tel capteur caractérisé en ce que pour mesurer la conductivité thermique d'un milieu qui entoure au moins une face de la membrane, il est prévu une élévation de température du milieu inférieure à environ 25 K. L'invention a l'avantage de permettre grâce à des moyens simples à la fois de réduire la quantité de chaleur introduite dans la membrane pour mesurer la conductivité thermique d'un gaz et ainsi de réduire également la différence de température provoquée tout en simplifiant la construction de l'élément de capteur ou du capteur de con- ductivité thermique et en la rendant plus économique. Ces avantages résultent de ce qu'un élément thermique permet de faire la mesure de température d'une manière très précise par comparaison à une mesure de température à l'aide d'une résistance électrique (thermistor) utilisée comme capteur de température, et c'est pourquoi pour une même sen- sibilité du capteur ou détecteur de conductivité thermique, la puissance calorifique à fournir à la matière du substrat est relativement faible selon l'invention.

En outre, il est également avantageux selon l'invention que le recouvrement du substrat ou l'encapsulage de la face inférieure de la membrane ne soit plus nécessaire du fait de sa fabrication selon un procédé de fabrication micromécanique en surface, mais que ce recouvrement de la face inférieure avec la matière du substrat du semi- conducteur existe déjà pour la fabrication du détecteur de conductivité thermique. Ainsi on évite des étapes pour la fabrication et l'application d'un recouvrement de la face inférieure, ce qui se traduit par une réduction de coût et une augmentation de la sécurité du procédé. Il est en outre avantageux de prévoir une première capacité entre la membrane et la matière du substrat. Cela permet à la membrane et aux composants se trouvant sur celle-ci tels que l'élément chauffant et l'élément de mesure de température, d'être relativement bien isolés thermiquement ce qui permet une mesure très précise. Il est en outre avantageux qu'à proximité de l'élément de mesure de température, dans l'espace on dis-pose d'un puits thermique défini qui permet d'augmenter encore la précision de mesure du détecteur de conductivité thermique.

Il est en outre avantageux que le détecteur de conductivité thermique présente un recouvrement qui forme une seconde cavité sur la face de la membrane non tournée vers la matière du substrat. Ainsi l'invention permet avec des moyens simples une interaction défi-nie avec l'environnement ou le développement d'un volume d'interactions défini entre le détecteur de conductivité thermique ou l'élément de mesure du dispositif de détecteur de conductivité thermique, et le milieu dont on veut doser la conductivité thermique.

Il est en outre avantageux que le recouvrement comporte une ouverture pour relier la seconde cavité à l'extérieur du détecteur de conductivité thermique.

D'une manière particulièrement avantageuse, le détecteur de conductivité thermique intègre un circuit de traitement de façon monolithique avec la membrane. Cela permet d'intégrer facilement un circuit d'exploitation électronique ou des parties de celui-ci tel qu'un pré- amplificateur (du dispositif de détection du détecteur de conductivité thermique).

Il est particulièrement avantageux que le circuit de traitement du détecteur de conductivité thermique soit taré sur un signal de sortie standardisé ce qui permet de supprimer d'autres opérations de réglage ou d'autres étapes de fabrication pour obtenir le module complet de détecteur de conductivité thermique; ce module selon l'invention peut ainsi être fabriqué plus rapidement, plus simplement et d'une manière plus économique.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un détecteur de conductivité thermique selon l'invention. Pour cela, la membrane est obtenue de préférence à l'aide d'un procédé de fabrication micromécanique de surface dans la matière du substrat ou sur celle-ci.

Ainsi selon l'invention, il est avantageusement possible d'une part de se passer d'une plaquette pour la face arrière servant à fermer la gravure de la face arrière ou la zone du volume de la face inférieure de la membrane, et d'autre part d'utiliser un procédé de fabrication de la membrane compatible avec la fabrication d'un circuit d'exploitation ou du moins de parties d'un circuit d'exploitation en technique habituelle. Cela réduit les coûts de fabrication du détecteur de conductivité thermique selon l'invention ou rend celui-ci plus intégrable de façon plus économique pour son intégration dans un système d'exploitation.

L'invention concerne également un procédé de gestion d'un détecteur de conductivité thermique selon l'invention utilisé de préférence pour mesurer la conductivité thermique d'un milieu entourant au moins une face de la membrane, avec une élévation de température du milieu ou d'au moins les parties du milieu très inférieure à environ 25 K ou au plus de l'ordre de 25 K. Ainsi d'une part on diminue les contraintes thermiques appliquées à l'ensemble du dispositif de détecteur de conductivité thermique ou des matériaux concernés et d'autre part on diminue la puissance électrique nécessaire au fonctionnement du dispositif de détecteur de conductivité thermique.

Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique de dessus d'un détecteur connu de conductivité thermique; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un détecteur de con- ductivité thermique selon l'invention.

Description de modes de réalisation

La figure 1 montre schématiquement un détecteur connu de conductivité thermique. Une matière de substrat 120 comporte une zone de membrane 130; la zone de membrane 130 est fabriquée de façon habituelle notamment par un procédé appliqué à la face arrière c'est-à-dire par un procédé de gravure tel que par exemple la gravure KOH ou la réalisation de tranchées. Dans les détecteurs usuels de conductivité thermique, ce procédé de fabrication est également appelé pro- cédé en technique de micro- mécanique en vrac ou de micro-mécanique en volume. La zone de membrane 130 comporte un élément chauffant 132 par exemple sous la forme d'une résistance chauffante. Un élément de mesure de température sous la forme d'un élément résistant (thermistor 133) est prévu dans la zone de membrane 130. A la fois la résis- tance chauffante 132 et l'élément de mesure de température 133 sont reliés par des électrodes de contact ou des zones de contact correspondantes 140 au substrat 120 pour établir la liaison électrique.

Pour effectuer une mesure de conductivité thermique à l'aide d'un tel élément de détecteur habituel, on chauffe la membrane io 130 avec de l'énergie électrique à l'aide de la résistance chauffante 132. A l'aide de l'autre résistance dépendant de la température (thermistor 133) on mesure la température de la membrane. En comparant l'énergie électrique fournie à la température de la membrane, on obtient une in-formation relative à la conductivité thermique du milieu entourant la membrane 130 (ce milieu n'est pas représenté à la figure 1). En particulier, ce procédé permet de mesurer des milieux liquides ou gazeux. L'inconvénient de cet élément de détecteur de conductivité thermique est que la mesure de la température à l'aide du thermistor est relative-ment imprécise (élément de mesure de température 133). C'est pourquoi pour arriver à une sensibilité suffisante de l'élément de détecteur de conductivité thermique, il faut générer des puissances de chauffage de l'ordre de 5 à 50 mW pour avoir une précision et une résolution suffisante de la mesure de la conductivité thermique du milieu entourant au moins partiellement la membrane de détecteur 130. Les différences de température qui en résultent se situent dans une plage allant de l'ordre de 25 K jusqu'à 150 K au-dessus de la température ambiante.

La figure 2 montre un détecteur de conductivité thermique 10 selon l'invention comprenant un substrat 20 et une membrane 30 selon une vue de côté ou une vue en coupe schématique. Sous la membrane ou entre la membrane 30 et la matière 20 du substrat, le détecteur de conductivité thermique 10 selon l'invention présente une première cavité 35 tournée vers l'arrière. Selon l'invention, la matière du substrat ferme la première cavité 35 vers le bas c'est-à-dire vers le dos du détecteur de conductivité thermique. La face supérieure de la mem- brane 30 c'est-àdire la face de la membrane 30 non tournée vers la matière 20 du substrat comporte selon l'invention notamment une seconde cavité 55 munie d'un recouvrement notamment sous la forme par exemple d'une plaquette de recouvrement 50 ou d'un autre substrat 50. La seconde cavité 55 selon l'invention est notamment accessible à l'environnement du détecteur de conductivité thermique 10. Pour cela il est prévu une ouverture 52 dans la plaquette de recouvrement 50 ou second substrat 50 pour permettre l'accès entre l'extérieur du détecteur de conductivité thermique 10 et la seconde cavité 55. Selon l'invention, il est en outre également possible d'ouvrir la première cavité 35 par exemple par une cavité dans la membrane 30 ou analogue; cela signifie qu'il existe un accès entre la première cavité 35 et la seconde cavité 55.

Selon l'invention, dans ou sur la membrane 30 on a un élément chauffant 31 et un élément de mesure de température 32. L'élément de mesure de température 32 est selon l'invention notamment un élément thermique (thermocouple).

En outre, dans ou sur le substrat 20 du détecteur de conductivité thermique 10 selon l'invention on a un circuit 21 ou une zone de circuit d'exploitation 21 qui comporte au moins une partie d'un circuit d'exploitation 21 de manière à pouvoir facilement générer ou me- surer des signaux de l'élément de mesure de température 32 et/ou l'élément chauffant 31 et/ ou de leur tension de fonctionnement.

Selon l'invention, il est notamment prévu que le détecteur de conductivité thermique 10 comporte dans son voisinage notamment de la membrane 30 du détecteur, un puits à chaleur, défini car sinon on a de trop fortes variations du signal. Dans le cas de détecteurs habituels cela s'obtient par l'encapsulage de la puce; pour cela il faut une plaquette de recouvrement et aussi une plaquette de fond; dans le cas du détecteur de conductivité thermique selon l'invention, cela n'est pas nécessaire car au moins l'une des deux plaquettes connues peut être économisée.

Selon l'invention, on peut utiliser des détecteurs de conductivité thermique par exemple pour déceler de l'hydrogène dans de l'air car par rapport à l'air, l'hydrogène a une conductivité thermique relativement élevée. Le détecteur de conductivité thermique selon l'invention convient ainsi pour déceler des fuites dans les véhicules d'un moteur à hydrogène (moteurs à combustion ou piles à combustible). Du fait que le gaz carbonique CO2 présente une conductivité thermique moindre que l'air, le détecteur de conductivité 10 selon l'invention per-met également de mesurer une forte teneur en CO2 dans l'air. Cela est important pour l'utilisation comme détecteur de dioxyde de carbone ou encore dans le cas d'installation de climatisation utilisant du dioxyde de carbone comme agent réfrigérant (installation de climatisation R744 ).

Le détecteur de conductivité thermique selon l'invention a l'avantage que grâce à sa sensibilité relativement élevée vis à vis des différences de température lorsqu'on utilise un thermocouple comme élément de mesure de température 32, de ne pas nécessiter des différences de température importantes par rapport à la température de l'environnement pour mesurer la conductivité thermique notamment celle de gaz (ou de liquides). On améliore encore plus la sensibilité du détecteur de conductivité thermique 10 selon l'invention si la membrane 30 est une membrane 30 fabriquée par micromécanique de surface ce qui permet de régler une distance précise et relativement réduite entre la membrane 30 et la matière 20 du substrat sous la membrane 30; on peut ainsi réaliser un puits de chaleur, défini au niveau de la mem- brane de détecteur 30 selon l'invention.

Pour fabriquer une telle membrane 30 en technique de micromécanique de surface, on forme par exemple par un procédé de gravure, des trous dans le substrat dans la zone de la future membrane 30 en utilisant par exemple le procédé de gravure CIF3. Ensuite on forme la première cavité 35 soit par transfert d'une zone de silicium à gravure poreuse ou par dépôt de la matière de la membrane sur une zone à gravure poreuse et ensuite on enlève le silicium à l'endroit de la première cavité 25. Cela permet selon l'invention que la membrane 30 se trouve d'un côté à une distance définie du puits de chaleur notam- ment par rapport à la matière du substrat 20 ce qui donne un signal de détecteur plus constant et améliore ainsi considérablement la sensibilité du détecteur. Selon l'invention il est en outre avantageux que le détecteur de conductivité thermique comporte un capuchon ou un recouvre-ment 50 notamment une plaquette de recouvrement ou moyen analogue. Ce recouvrement 50 présente selon l'invention notamment un orifice 52 ou une ouverture 52 ou une cavité 52 à travers laquelle le gaz ou de façon générale le fluide dont on veut mesurer la conductivité thermique peut diffuser ou arriver dans l'élément de détecteur 10. Cela découple d'autant plus le détecteur de conductivité thermique 10 par rapport aux influences de l'environnement et donne un signal encore plus constant. Un autre avantage de l'utilisation d'une structure de thermocouple ou d'un élément thermique comme élément de mesure de température 32 sur la membrane 30 est que cet élément est beaucoup plus sensible à la température qu'une résistance électrique habituelle utilisée comme élément de mesure de température; de plus à la place d'une variation de résistance purement passive, on a une tension de sortie active. Cela permet une plus grande sensibilité du détecteur de conductivité thermique ou des éléments de mesure de ce détecteur de conductivité thermique 10 avec une meilleure résolution du détecteur et en même temps il est possible de réduire au minimum la puissance électrique. Cela est avantageux lorsque le détecteur 10 est utilisé comme détecteur de fuite pour un fonctionnement si possible permanent. Selon l'invention, il est en outre possible grâce à la construction du détecteur de conductivité thermique 10 par un procédé de micromé- canique de surface, d'intégrer un circuit d'exploitation électronique ou les parties de celui-ci comme par exemple un pré- amplificateur dans le détecteur de conductivité thermique; cela permet par exemple de tarer le détecteur de conductivité thermique 10 pour fournir un signal de sortie standardisé.

Il est en outre avantageux dans le détecteur de conductivité thermique 10 selon l'invention que l'influence des conditionnements de l'environnement soit très faible sur le signal de détecteur, que l'on dispose d'une plus grande sensibilité des éléments de détecteur et une meilleure possibilité d'exploitation grâce aux signaux actifs du détec-teur. En outre la plus grande sensibilité permet de mesurer de plus faibles différences de température, on consommera moins de puissance, et l'intégration d'un circuit d'exploitation ou de parties de celui-ci, permet un tarage au niveau de la plaquette et une installation localement indépendante d'un élément de détecteur ou du détecteur de conductivité thermique 10, et indépendamment de l'appareil de commande ou de l'électronique d'exploitation vers lesquels il faudrait transporter un signal non taré ou le cas échéant par des lignes mal contrôlées ou sur des distances importantes. Le détecteur de conductivité thermique 10 selon l'invention a en outre l'avantage grâce à sa technique de construction avantageuse, de pouvoir facilement être utilisé comme puce sur circuit ou comme élément flip-chip, et être intégré dans des appareils de commande ou des installations de climatisation ou des modules complets de véhicules.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 ) Détecteur de conductivité thermique (10) comportant une matière de substrat (20) et une membrane (30), avec un élément chauffant (31) prévu dans ou sur la membrane (30) ainsi qu'un élément de mesure de température (32), caractérisé en ce que la membrane (30) est une membrane fabriquée en micro-mécanique de surface et l'élément de mesure de température (32) est un élément thermique.

2 ) Détecteur de conductivité thermique (10) selon la revendication 1, caractérisé par une première cavité (35) entre la membrane (30) et la matière de substrat (20).

3 ) Détecteur de conductivité thermique (10) selon la revendication 1, caractérisé par un puits de chaleur défini dans l'environnement spatial de l'élément de mesure de température (32).

4 ) Détecteur de conductivité thermique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un recouvrement (50) qui forme une seconde cavité (52) dans la face de la membrane (30) non tournée vers la matière de subs-25 trat (20).

5 ) Détecteur de conductivité thermique (10) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le recouvrement (50) comporte une ouverture (52) pour relier la seconde 30 cavité (55) à l'extérieur du détecteur de conductivité thermique.

6 ) Détecteur de conductivité thermique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comporte un circuit de traitement (21) intégré de manière monolithi-35 que à la membrane (30).

7 ) Détecteur de conductivité thermique (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de traitement (21) du détecteur (10) est taré sur un signal de sortie standardisé.

8 ) Procédé de fabrication d'un détecteur de conductivité thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la membrane (30) est réalisée dans la matière de substrat (20) ou est 10 appliquée sur la matière de substrat (20) par un procédé de fabrication en micromécanique de surface.

9 ) Procédé de mise en oeuvre d'un détecteur de conductivité thermique (10) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pour mesurer la conductivité thermique d'un milieu qui entoure au moins une face de la membrane (30), il est prévu une élévation de température du milieu inférieure à environ 25 K.