FR2950692A1 - Dispositif de capteur et procede de fabrication d'un tel dispositif de capteur - Google Patents

Abstract

Dispositif de capteur, notamment de capteur de pression ayant un substrat (2) avec un plan principal d'extension (100). Le substrat (2) comporte un sillon (21) dans un premier côté (3) pour former une zone de membrane (20) sur un second côté (4) du substrat (2) à l'opposé du premier côté (3) et perpendiculairement au plan principal d'extension (100). La matière de la zone de membrane (20) intègre l'élément de découplage (41).

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de capteur, notamment dispositif de capteur de pression comportant un substrat ayant un plan principal d'extension, et le substrat sur le côté au moins un sillon pour former une zone de membrane sur un second côté du substrat à l'opposé du premier côté, perpendiculairement au plan principal d'extension. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif de capteur.

Etat de la technique On connaît de façon générale de tels dispositifs de capteur. Par exemple, selon le document DE 102 26 034 A1, on connaît un capteur et son procédé de fabrication. Le capteur comporte une matière semi-conductrice ayant une première épaisseur dans une zone de membrane et une seconde épaisseur à l'extérieur de la zone de membrane. La seconde épaisseur est supérieure à la première. Au dos, la matière semi-conductrice comporte un sillon ouvert défini par la première épaisseur, réduite. La zone de membrane réalisée sur la face avant de la matière semi-conductrice, est déformable en fonction de la différence de pression entre une première pression appliquée à la face avant et une seconde pression, à mesurer, appliquée dans le sillon, la déformation se faisant perpendiculairement à la matière semi-conductrice ; des moyens de mesure de la déformation de la zone de membrane sont prévus dans la zone transitoire entre la première et la seconde épaisseur. Ce dispositif de capteur à l'inconvénient qu'à la fois une variation de la première pression et aussi une variation de la seconde pression, se traduisent directement par une déformation de la zone de membrane. On détecte ainsi une variation de pression appliquée à la face avant fournissant ainsi un signal de mesure bien que la seconde pression, éventuellement constante. Il en résulte qu'il faut surveiller la première pression avec un capteur de pression absolue, distinct. En outre, les documents DE 10 2004 036 032 A1, DE 10 2004 036 035 A1, WO 02/02 458 A1, décrivent d'autres procédés de fabrication de dispositifs de capteur. Selon ces procédés, on

2 réalise d'abord une couche poreuse dans un substrat semi-conducteur et ensuite, on réalise une cavité sous la couche poreuse dans le substrat semi-conducteur. Puis, on ferme de nouveau la couche poreuse et on munit éventuellement la cavité d'un orifice d'accès. Ce procédé sera appelé ci-après procédé APSM (membrane en silicone poreux développé). Deux exemples de réalisation d'un dispositif de capteur selon l'état de la technique seront décrits ci-après à l'aide des vues en coupe des figures 1 et 2.

La figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de capteur selon l'état de la technique montrant un substrat 105, une cavité 104 et une membrane de capteur 109 ; le substrat de capteur 105 est relié à un socle en verre 106. Le socle en verre 106 est collé à une plaque de circuit 107 par une colle 106'. La plaque de circuit 107 et le socle en verre 106, ont une ouverture de façon que la pression 108 arrive dans la cavité 104 du capteur par le côté inférieur de la plaque de circuit 107 ; la membrane 109 du capteur se déforme en fonction de la pression 108 et en fonction d'une pression de référence 102. La déformation est mesurée par des résistances piézo-électriques 103 appliquées sur le côté supérieur de la membrane 109 et par un circuit d'exploitation 103'. Le côté supérieur de la membrane de capteur 109 a un encapsulage 101, hermétiquement étanche qui règle ainsi la pression de référence 102, connue. En réglant la pression de référence 102 sur le côté arrière de la membrane 109, on pourra déterminer la valeur de pression absolue 108 par une mesure relative entre la pression de référence 102 et la pression 108. L'encapsulage 101 est relié solidairement au substrat 105 par une liaison scellée en verre 101'. La figure 2 est une vue de côté schématique d'un autre dispositif de capteur selon l'état de la technique ; ce dispositif de capteur comporte un substrat 202 avec une cavité 201. La cavité 201 est proche du côté supérieur du substrat 202. Elle est réalisée notamment en technique APSM. Entre la cavité 201 et le côté supérieur du substrat 202, on forme une membrane 205 qui se déforme selon la pression relative entre la pression 204 appliquée sur le côté supérieur de la membrane 205 et la pression de référence régnant dans la cavité

3 201 ; cette déformation est mesurée par des résistances piézo-électriques 203 appliquées sur le côté supérieur du substrat 202. La cavité 201 est notamment une cavité sous vide. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un dispositif de capteur du type défini ci-dessus, caractérisé par un élément de découplage intégré dans la matière de la zone de membrane. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel dispositif de capteur, caractérisé en ce que - dans une première étape de fabrication, on fournit le substrat, - dans une seconde étape de fabrication, on réalise l'élément de découplage, et - dans une troisième étape de fabrication, on réalise le sillon.

Le dispositif de capteur et son procédé de fabrication selon l'invention ont l'avantage d'assurer le découplage mécanique de la zone de membrane vis-à-vis de la seconde pression exercée sur le second côté du substrat. Ce découplage mécanique résulte de l'élément de découplage intégré dans la matière de la zone de membrane. Ainsi, une variation de la seconde pression ne se traduit pas par un mouvement de débattement de la zone de la membrane perpendiculairement au plan principal d'extension, mais cette variation est absorbée par l'élément de découplage. Ainsi, le mouvement de débattement de la zone de membrane perpendiculairement au plan principal d'extension, sera généré avantageusement et exclusivement par une variation de la première pression régnant dans le sillon ; ainsi, le mouvement de débattement, détecté, représente uniquement la première pression. Le dispositif de capteur peut ainsi s'utiliser comme capteur de pression absolue. La précision de la mesure faite par le dispositif de capteur, est globalement améliorée ; on réduit l'influence des variations de la seconde pression sur la précision de la mesure. De façon avantageuse, il ne faut aucun autre capteur de mesure de pression absolue ni aucun volume de référence ce qui permet d'économiser l'encapsulage coûteux du dispositif de capteur, c'est-à- dire du second côté du substrat. L'intégration de l'élément de

4 découplage dans la zone de membrane, permet d'avoir une réalisation relativement compacte et le procédé de fabrication du dispositif de capteur est économique. Le substrat comporte de préférence un substrat semi-conducteur et en particulier un substrat de silicium.

Selon un mode de réalisation préférentiel, l'élément de découplage comporte une cavité dans le plan principal d'extension, la cavité est plus petite que la zone de la membrane et/ou la zone de la membrane est plus grande que la zone de la cavité. Cela permet une implémentation relativement économique d'un élément de découplage.

La variation de la seconde pression est ainsi absorbée par le mouvement de découplage de la zone de membrane plus grande perpendiculairement au plan principal d'extension ce qui évite toute action de la force sur la zone de la membrane dans la direction perpendiculaire au plan principal d'extension. La cavité est de préférence fermée hermétiquement de manière à amortir efficacement le mouvement de découplage. La zone étendue de la membrane a une épaisseur de matière, notamment plus réduite par rapport à la zone de membrane dans la direction perpendiculaire au plan principal d'extension. La zone étendue de la membrane comporte de préférence une membrane APSM (membrane en silicone poreux développé). La zone de membrane et/ou la zone étendue de membrane, ont notamment une section ronde ou polygonale de préférence une section carrée, parallèlement au plan principal d'extension. Selon un mode de réalisation préférentiel, dans la zone du second côté, il y a des éléments de détection et/ou un circuit d'exploitation et les éléments de détection comportent de préférence des éléments piézorésistants. L'exploitation du mouvement de débattement, détecté, est simplifiée de manière importante par rapport à l'état de la technique car il suffit d'exploiter un unique chemin de signal représentant le débattement de la zone de membrane. On évite ainsi d'avoir à former de manière compliquée, la différence entre le débattement de la zone de membrane et le signal de mesure fourni par un capteur séparé donnant la pression absolue. Les éléments piézorésistants sont de préférence branchés selon un montage en pont, simple, par exemple un pont de Wheatstone. Le circuit d'exploitation comporte notamment un circuit analogique et/ou numérique réalisé de préférence sous la forme d'un circuit intégré dans le substrat et/ou sur une puce externe par exemple un circuit ASIC (circuit intégré dédié). Selon un mode de réalisation préférentiel, les éléments de 5 détection sont répartis dans le plan principal d'extension dans la zone de la membrane et au-delà de l'élément de découplage, les éléments de détection étant notamment écartés de l'élément de découplage le long du plan principal d'extension. Cela a l'avantage que les éléments de détection ne sont pas perturbés par le mouvement de découplage de la zone étendue de la membrane. Les éléments de détection détectent ainsi exclusivement le mouvement de débattement de la zone de membrane. Selon un mode de réalisation préférentiel, le sillon s'étend principalement dans la direction perpendiculaire au plan principal d'extension en partant du premier côté jusqu'à la première zone de membrane. Le dispositif de capteur présente ainsi une résistance relativement élevée et avantageuse vis-à-vis des milieux car la première pression à mesurer est appliquée à la zone de membrane par l'intermédiaire du sillon partant du premier côté du substrat en particulier du côté arrière du substrat. Cela permet d'utiliser avantageusement le dispositif de capteur selon l'invention pour mesurer la pression de milieux agressifs. Selon une caractéristique préférentielle, le premier côté comporte un socle en verre ayant de préférence un canal relié au sillon. Le dispositif de capteur est de préférence intégré dans un boîtier de capteur de pression comportant un ajutage de raccordement de pression et de préférence un couvercle rapporté, ainsi qu'en option, un connecteur pour le branchement électrique du dispositif de capteur (par exemple des capteurs à visser avec un embout de vissage). L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif de capteur selon lequel, dans une première étape, on fournit le substrat et dans une seconde étape, on réalise l'élément de découplage, et dans une troisième étape on réalise le sillon. Le dispositif de capteur se fabrique ainsi d'une manière relativement économique et en particulier le procédé peut appliquer des techniques de fabrication

6 micromécaniques classiques, de préférence de micromécanique de surface, par exemple en technique 200 mm. Selon un mode de réalisation préférentiel, au cours d'une autre étape de fabrication, on installe les éléments de détection et/ou le circuit d'exploitation au niveau du second côté. Cela permet de fabriquer avantageusement les éléments de détection et/ou le circuit d'exploitation par des procédés de fabrication standards de semi-conducteurs, d'une manière relativement compacte et économique. Selon un mode de réalisation préférentiel, la seconde io étape de fabrication comprend une première et une seconde étape partielle ; dans la première étape partielle, on forme une couche sacrificielle poreuse dans le substrat et dans la seconde étape partielle, par un dépôt, on réalise l'élément de découplage sous la forme d'une cavité, la seconde étape de fabrication s'exécutant de préférence à partir 15 du second côté. L'élément de découplage est ainsi fabriqué d'une manière relativement économique dans la seconde étape de fabrication par la technique APSM (membrane de silicone poreux, développé). L'opération de dépôts consiste par exemple à déposer une couche de couverture dans laquelle on forme par exemple la zone de membrane 20 étendue. Selon un mode de réalisation préférentiel, dans la troisième étape du procédé, on réalise le sillon par une opération de gravure, notamment un procédé de gravure en tranchée à partir du second côté. Le sillon est réalisé de préférence par des procédés de 25 micromécaniques en vrac tels que le procédé de réalisation de tranchée ou la gravure anisotrope par exemple en utilisant comme agent de gravure KOH ou TMAH. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière 30 plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de capteur selon l'état de la technique, - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un autre dispositif de 35 capteur selon l'état de la technique,

7 - la figure 3 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de capteur selon un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 est une vue en coupe schématique d'un second mode de réalisation d'un dispositif de capteur selon l'invention, - la figure 5 est une vue en coupe schématique d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de capteur selon l'invention, - la figure 6 est une vue en coupe schématique d'un quatrième mode de réalisation d'un dispositif de capteur selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention Dans les différentes figures, on utilisera les mêmes références pour désigner les mêmes éléments ou éléments analogues dont la description détaillée ne sera pas systématique reprise. La figure 3 est une vue en coupe schématique d'un premier mode de réalisation d'un dispositif de capteur 1 selon l'invention. Le dispositif de capteur comporte un substrat 2 avec un plan principal d'extension 100. Sur le premier côté 3, le substrat 2 comporte un sillon 21 qui définit une zone de membrane 20 sur le second côté 4 à l'opposé du premier côté 3, perpendiculairement au plan principal d'extension 100. La zone de membrane 20 a une épaisseur diminuée de manière important par rapport au restant du substrat 2, dans la direction perpendiculaire à celle du plan principal d'extension 100. Le sillon 21 est perpendiculaire au plan principal d'extension 100 à partir du premier côté 3 pour arriver jusqu'à la zone de membrane 20. Un élément de découplage 41 est intégré dans la zone de membrane 20. Cet élément de découplage comporte une cavité 41'. L'extension de la cavité 41' parallèlement au plan principal d'extension 100, est inférieure à l'extension de la zone de membrane 20 parallèlement au plan principal d'extension 100. La cavité 41' définit une autre zone de membrane 40 sur le second côté 4 du substrat 2 et dans la zone de membrane 20. L'épaisseur de l'autre zone de membrane 40 perpendiculairement au plan principal d'extension 100, est significativement plus faible que l'épaisseur de la zone de membrane 20. Le dispositif de capteur 1 comporte en outre des éléments de détection 5 parallèles au plan principal d'extension 100 dans la zone de

8 membrane 20 et se trouvant uniquement au-delà de l'autre zone de membrane 40. Les éléments de détection 5 comportent des éléments piézorésistants 5' pour mesurer la déformation de la zone de membrane 20 générée par la différence entre la première pression 50 dans le sillon 21 et la seconde pression 51 appliquée sur le second côté 4 du substrat 2. La seconde pression 51 est de préférence le vide de sorte que la déformation de la zone de membrane 20 est directement proportionnelle à la première pression 50. En particulier, la cavité 41' est sous vide de sorte que la variation de la seconde pression 51 se traduit par la déformation de l'autre zone de membrane 40 et non par la déformation de la zone de membrane 20. Pour exploiter l'élément piézorésistant 5', le dispositif de capteur 1 comporte un circuit d'exploitation 6, intégré, relié électriquement aux éléments piézorésistants 5'. La déformation des éléments piézorésistants 5' se traduit par une variation de la résistance électrique des éléments piézorésistants 5' et ainsi la mesure de la pression relative entre la première et la seconde pression 50, 51, par la zone de membrane 20 se fait uniquement par un signal de tension et/ou d'intensité correspondant à la pression relative entre la première et la seconde pression 50, 51. Il n'est pas nécessaire de mesurer la déformation de l'autre zone de membrane 40 et cette mesure n'est d'ailleurs pas réalisable. Le premier côté 3 du substrat 2 est en outre relié à un socle en verre 8 muni d'un canal 9 dans la zone du sillon 21. La zone de membrane 20 reçoit la première pression 50 par le canal 9.

Le sillon 21 est par exemple un sillon en tranchée. La figure 4 est une vue en coupe schématique d'un second mode de réalisation d'un dispositif de capteur selon l'invention. Le second mode de réalisation correspond pour l'essentiel au premier mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 3 ; le sillon 21 n'est pas réalisé par un procédé de gravure en tranchée mais par un procédé de gravure anisotrope, par exemple avec comme agent de gravure KOH ou TMAH. La figure 5 est une vue en coupe schématique d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif de capteur selon l'invention. Ce troisième mode de réalisation correspond pour l'essentiel au premier mode de réalisation représenté à la figure 3. La vue de dessus du second côté 4 du substrat laisse apparaître l'élément d'exploitation 6 et la zone de membrane 20. La zone de membrane 20 contient l'autre zone de membrane 40 qui est plus petite que la zone de membrane 20. Les éléments de détection 5 constitués par des éléments piézorésistants 5', sont installés dans la zone de membrane 20 à l'extérieur de l'autre zone de membrane 40. A figure 6 est une vue schématique d'un quatrième mode de réalisation d'un dispositif de capteur 1. Le quatrième mode de réalisation, correspond pour l'essentiel au troisième mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 5. Dans ce cas, l'autre zone de membrane 40 correspond à la zone de membrane 20 à l'exception des parties dégagées 40' et les éléments de détection 5 constitués par des éléments piézorésistants 5', sont installés dans les dégagements 40'. 20 lo NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX

2 substrat 3 premier côté du substrat 4 second côté du substrat 5 élément de détection 5' élément piézorésistant 9 canal 20 zone de membrane 21 sillon 40 autre zone de membrane 40' dégagement 41 élément de découplage 41' cavité 50 première pression 51 seconde pression

100 plan principal d'extension 101 encapsulage étanche 102 pression de référence 103' circuit d'exploitation 104 cavité 105 substrat 106 socle en verre 106' colle 107 plaque de circuit 108 pression 109 membrane de capteur 201 cavité 202 substrat 204 pression 205 membrane35

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Dispositif de capteur (1), notamment dispositif de capteur de pression comportant un substrat (2) ayant un plan principal d'extension (100), et le substrat (2) sur le côté (3) au moins un sillon (21) pour former une zone de membrane (20) sur un second côté (4) du substrat (2) à l'opposé du premier côté (3), perpendiculairement au plan principal d'extension (100), caractérisé en ce qu' un élément de découplage (41) est intégré dans la matière de la zone de membrane (20). 2°) Dispositif de capteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que - l'élément de découplage (41) comporte une cavité (41'), - la cavité (41') étant de préférence plus petite que la zone de membrane (20) dans le plan principal d'extension (100) et/ ou, - la zone de membrane (20) ayant, de préférence, une autre zone de membrane (40) plus étendue dans la zone de la cavité (41'). 3°) Dispositif de capteur (1) selon la revendication 1, caractérisé par - les éléments de détection (5) et/ou un circuit d'exploitation (6) dans la zone du second côté (4), - les éléments de détection (5) comprenant de préférence des éléments piézorésistants (51. 4°) Dispositif de capteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que - les éléments de détection (5) sont prévus le long du plan principal d'extension (100) dans la zone de membrane (20) et à l'extérieur de l'élément de découplage (41), - les éléments de détection (5) étant notamment écartés de l'élément de découplage (41) le long du plan principal d'extension (100).35 12 5°) Dispositif de capteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le sillon (21) s'étend essentiellement dans la direction perpendiculaire au plan principal d'extension (100) à partir du premier côté (30) jusque dans la première zone de membrane (40). 6°) Dispositif de capteur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' - un socle en verre (8) est prévu sur le premier côté (3), - le socle en verre (8) comportant de préférence un canal (9) relié au sillon (21). 7°) Procédé de fabrication d'un dispositif de capteur (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que - dans une première étape de fabrication, on fournit le substrat (2), - dans une seconde étape de fabrication, on réalise l'élément de découplage (41), et - dans une troisième étape de fabrication, on réalise le sillon (21). 8°) Procédé de fabrication d'un dispositif de capteur (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que dans une quatrième étape de fabrication, on installe les éléments de détection (5) et/ou le circuit d'exploitation (6) dans la zone du second côté (4). 9°) Procédé de fabrication d'un dispositif de capteur (1) selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que - la seconde étape de fabrication comprend une première et une seconde étape partielle, - dans une première étape partielle, on forme une couche sacrificielle poreuse dans le substrat (2), et 13 - dans la seconde étape partielle, par une opération de dépose, on réalise l'élément de découplage (41) sous la forme d'une cavité (41'), - la seconde étape de fabrication étant exécutée de préférence à partir du second côté (4). 10°) Procédé de fabrication d'un dispositif de capteur (1) selon la revendication 7, caractérisé en ce que par une opération de gravure, notamment un procédé de tranchée, on 10 réalise le sillon (21) dans la troisième étape de procédé en partant du second côté. 15 20