FR2972263A1 - Capteur inertiel et procede de fabrication correspondant - Google Patents

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Abstract

Capteur inertiel comprenant au moins une poutre de mesure (23) et un corps actif formé d'un corps d'épreuve (13) et de lames déformables (14), ledit corps actif étant maintenu en suspension à l'intérieur d'une enceinte hermétique via ses lames (14), la poutre de mesure (23) reliant une partie du corps d'épreuve (13) à une paroi interne de ladite enceinte, ladite poutre de mesure (23) présentant une épaisseur inférieure à celle du corps d'épreuve (13).

Description

CAPTEUR INERTIEL ET PROCEDE DE FABRICATION CORRESPONDANT Domaine technique
L'invention se rapporte au domaine des capteurs inertiels, tels que 10 accéléromètres ou gyromètres, réalisés en technologie MEMS (acronyme anglo-saxon pour « microelectromechanical system » en anglais ou « microsystème électromécanique » en français) ou NEMS (acronyme anglo-saxon pour « nanoelectromechanical system » en anglais ou « nanosystème électromécanique » en français). 15 Plus précisément, l'invention se rapporte à un procédé de fabrication d'un capteur inertiel à poutre de mesure de type résonant ou de type à résistance variable, par exemple piézorésistive.
20 Etat de la technique antérieure
Un capteur inertiel, tel qu'un accéléromètre, permet notamment de mesurer l'accélération subie par un objet auquel il est rapporté. Un tel capteur comprend notamment un corps d'épreuve (également appelé masse d'épreuve) couplé à une 25 ou plusieurs poutres de mesure. Lors d'un déplacement du capteur, une force inertielle s'applique au corps d'épreuve, et induit une contrainte sur la poutre.
Dans le cas d'une poutre de mesure de type résonateur, la contrainte appliquée par la masse du corps d'épreuve induit une variation de la fréquence du 30 résonateur. Dans le cas d'une poutre de mesure de type à résistance variable, par exemple piézorésistif, la contrainte appliquée par la masse du corps d'épreuve induit une variation de la résistance électrique. C'est ce qui permet de calculer l'accélération.5 De manière générale, il est avantageux d'employer un corps d'épreuve de masse élevée de manière à maximiser la force inertielle lors d'un déplacement, et donc d'induire une contrainte suffisante à la poutre de mesure. En outre, il est également avantageux que la poutre de mesure présente une épaisseur la plus faible possible de manière à maximiser la contrainte appliquée par le corps d'épreuve sur cette poutre.
Le document EP 2 211 185 présente un capteur dans lequel le corps d'épreuve présente une épaisseur supérieure à celle de la poutre, et propose en outre deux procédés de fabrication d'un tel capteur basés sur une technologie SOI (« Silicon On Insulator » en anglais ou « Silicium sur Isolant » en français).
Selon le premier procédé de fabrication décrit dans ce document, la jauge de contrainte est tout d'abord gravée dans une couche superficielle d'un substrat SOI, puis recouverte d'une protection. Une épitaxie de silicium est ensuite réalisée sur cette couche superficielle de manière à obtenir une couche d'épaisseur désirée pour la réalisation du corps d'épreuve. Cependant, la technique de croissance par épitaxie est lourde et couteuse à mettre en oeuvre, et ne permet pas d'obtenir des épaisseurs très importantes de couche de silicium. Du fait de cette limite, il est difficile d'obtenir un dimensionnement optimal du corps d'épreuve, et donc de sa masse, pour maximiser la contrainte appliquée à la jauge.
Selon le deuxième procédé de fabrication décrit dans ce document, le corps d'épreuve est tout d'abord gravé dans un substrat SOI. Une couche de silicium polycristallin d'épaisseur nanométrique est ensuite déposée en vue de la formation de la jauge de contrainte. Cependant, la faible épaisseur des couches en silicium polycristallin est encore difficile à contrôler, et ses propriétés mécaniques et électriques sont inférieures à celles d'une couche en silicium monocristallin. En outre, le dépôt d'une telle couche mince peut être soumis à des contraintes, telles que des déformations, pouvant affecter les performances de la jauge. Il est donc difficile, par ce procédé, d'obtenir une jauge présentant des caractéristiques mécaniques et électriques qui optimisent la sensibilité du capteur.
Ces solutions ne sont donc pas satisfaisantes, dans la mesure où il faut choisir entre une solution permettant d'obtenir une jauge de contrainte d'épaisseur faible au détriment de la masse du corps d'épreuve, et une solution permettant d'obtenir un corps d'épreuve de masse importante au détriment de la sensibilité de la jauge.
Exposé de l'invention Dans ce contexte, la présente invention a notamment pour but de proposer un nouveau procédé de fabrication d'un capteur inertiel exempte des limitations précédemment évoquées. L'invention a notamment pour but de proposer un procédé de fabrication permettant d'optimiser les dimensions du corps d'épreuve et de la jauge de contrainte de manière à améliorer les performances du capteur. L'invention a notamment pour but de proposer un capteur inertiel plus performant, comprenant une jauge de contrainte de plus faible épaisseur, en silicium monocristallin, et un corps d'épreuve de masse plus importante.
L'invention a ainsi pour objet un procédé de fabrication d'un capteur inertiel comprenant au moins : - la réalisation d'au moins un corps actif formé d'un corps d'épreuve et de lames déformables (constituant, par exemple, des ressorts linéaires ou des axes de torsions), par gravure d'une première couche active d'un premier substrat, ladite première couche active présentant une première épaisseur ; - la réalisation d'au moins une poutre de mesure par gravure d'une deuxième couche active d'un deuxième substrat, ladite deuxième couche active présentant une deuxième épaisseur inférieure à la première épaisseur ; - le scellement de la première couche active avec la deuxième couche active ; 30 - l'élimination des couches non actives du premier substrat ;- la réalisation d'une première cavité par gravure d'un troisième substrat ; - le scellement du troisième substrat avec la couche active du premier substrat, le corps actif étant disposé à l'intérieur de la première cavité ; - l'élimination des couches non actives du deuxième substrat ; - la réalisation d'une deuxième cavité par gravure d'un quatrième substrat ; et 5 - le scellement du quatrième substrat avec la couche active du deuxième substrat.
Ce procédé offre notamment un meilleur contrôle des dimensions des poutres et du corps actif, et permet donc d'optimiser à la fois l'épaisseur du corps actif et l'épaisseur de la poutre. Ce procédé permet notamment d'obtenir des poutres de 10 mesure de très faible épaisseur et un corps actif de masse plus importante. En outre, les contraintes susceptibles de détériorer les performances des poutres de mesure sont limitées tout le long du procédé de fabrication. De ce fait, la sensibilité de la poutre de mesure est améliorée sans limitation de la masse du corps d'épreuve. En d'autres termes, la combinaison d'un corps d'épreuve 15 présentant une masse élevée et d'une poutre de mesure de faible épaisseur assure une meilleure sensibilité quant à la détection de la mesure inertielle.
Avantageusement, le procédé comprend en outre la réalisation d'un contact électrique entre le corps actif et la poutre de mesure. Par exemple, ce contact 20 électrique peut être réalisé lors du scellement de la première couche active avec la deuxième couche active, ce scellement permettant de réaliser un contact mécanique et un contact électrique entre la poutre et le corps actif.
Selon un mode de réalisation, la poutre de mesure est en matériau 25 piézorésistif formant jauge de contrainte, la résistance électrique du matériau variant avec la contrainte appliquée à la masse.
Selon un autre mode de réalisation, la poutre de mesure est un résonateur mécanique, la fréquence du résonateur variant avec la contrainte appliquée à la 30 masse. Par exemple, le résonateur comprend une lame vibrante, un moyen d'excitation et un moyen de détection de la vibration.
Par exemple, le ratio de la première épaisseur sur la deuxième épaisseur est supérieur ou égale à 5.
Le procédé de fabrication peut en outre comprendre : - la réalisation d'au moins un évidement traversant l'épaisseur du troisième substrat et débouchant sur le premier substrat ; et - le dépôt d'un point de contact électrique dans ledit évidement.
De préférence, le milieu dans lequel sont enfermés la poutre de mesure et le 10 corps actif contient du vide, de manière à limiter toute dégradation de la résolution du capteur.
De préférence, l'ensemble des scellements du procédé de fabrication sont réalisés sous vide ou sous atmosphère contrôlée. Un scellement sous vide est 15 préféré pour la réalisation d'un capteur inertiel muni de résonateur, et un scellement sous atmosphère contrôlée est préféré pour la réalisation d'un capteur inertiel muni de jauge de contrainte piézorésistive.
Par exemple, la poutre de mesure est en silicium monocristallin, 20 avantageusement dopés pour améliorer la sensibilité de la poutre piézorésistive.
La masse d'épreuve peut également être en silicium monocristallin.
Avantageusement, les premier et deuxième substrats sont de type SOI. 25 L'invention a également pour objet un capteur inertiel comprenant au moins une poutre de mesure et un corps actif formé d'un corps d'épreuve et de lames déformables, ledit corps actif étant maintenu en suspension à l'intérieur d'une enceinte hermétique via ses lames, et la poutre de mesure reliant une partie du corps d'épreuve à une paroi interne de ladite enceinte, ladite poutre de mesure 30 présentant une épaisseur inférieure à celle du corps d'épreuve.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles les figures 1 à 15 sont des vues schématiques illustrant les étapes du procédé de fabrication d'un capteur inertiel selon un mode de réalisation de l'invention.
Exposé détaillé d'un mode de réalisation particulier En référence à la figure 15, un capteur inertiel de type piézorésistif ou résonant selon un mode de réalisation de l'invention comprend notamment des poutres de mesure 23 de type piézorésistif ou résonateur et un corps actif formé d'un corps d'épreuve 13 mobile et de lames déformables 14. Le corps d'épreuve 13 est maintenue en suspension à l'intérieur d'une enceinte 30, 40 hermétique, les poutres de mesure 23 reliant les lames déformables à la paroi interne de l'enceinte. Ces poutres de mesure 23 présentent notamment une épaisseur inférieure à celle du corps d'épreuve 13. Ainsi, dans le cas d'une poutre de mesure 23 de type résonateur, la déflection du corps d'épreuve 13 engendre une variation de la fréquence du résonateur, et dans le cas d'une poutre de mesure 23 de type jauge de contrainte piézorésistive, la déflection du corps d'épreuve 13 induit la variation de la résistance électrique de la jauge, cette variation pouvant être récupérée par l'intermédiaire de plot électrique disposé à l'intérieur d'évidements.
Le procédé de fabrication d'un tel capteur est décrit ci-après en référence aux figures 1 à 15.
A partir d'un premier substrat 1 (figure 1) qui peut être une tranche de matériau de type SOI (acronyme anglo-saxon pour « silicium On Insulator ») comprenant une première couche active 10 d'une première épaisseur el, par exemple de l'ordre de 10µm à 100µm, et une couche non active constituée d'une 6 couche d'isolant 11 (par exemple une couche d'oxyde) et une couche support 12 (ou bulk), on réalise une gravure dans cette première couche active 10. Cette gravure (figure 2), par exemple de type DRIE (pour « deep reactive ion etching » en anglais ou « gravure profonde par ions réactifs » en français), consiste à former le corps d'épreuve 13 et les lames déformables 14 dans cette première couche active 10. En d'autres termes, la première couche active comprend la le corps d'épreuve 13, les lames déformables 14 et un cadre 15.
A partir d'un deuxième substrat 2 (figure 3) qui peut également être une tranche de matériau de type SOI comprenant une deuxième couche active 20 d'une deuxième épaisseur e2, par exemple de l'ordre de 100nm à 1µm, et une couche non active constituée d'une couche d'isolant 21 et une couche support 22, on réalise une gravure dans cette première couche active 20. Cette gravure (figure 4), par exemple une photolithographie, consiste à former les poutres de mesure 23 dans cette deuxième couche active 20.
Les premier et deuxième couches actives 10, 20 sont ensuite scellées entre de manière à réaliser un scellement mécanique ainsi qu'un contact électrique entre les lames déformables et les poutres de mesure (figures 5 et 6). Dans une autre configuration (non représentée sur les figures), les poutres de mesure pourront être positionnées entre le corps d'épreuve 13 et le cadre 15. Et, bien entendu, il est possible de réaliser ce contact électrique indépendamment du scellement mécanique entre les deux couches actives 10, 20. Afin de libérer le corps actif et de réaliser son encapsulation, la couche non active, à savoir la couche isolante 11 et la couche support 12, du premier substrat est éliminée (figure 7). En d'autres termes, le corps d'épreuve 13 se retrouve en suspension et est maintenu au deuxième substrat 2 par l'intermédiaire des poutres de mesure 23.
A partir d'un troisième substrat 3 (figure 8) comprenant notamment une couche d'isolant 31 (par exemple une couche d'oxyde) et une couche support 32 (ou bulk), on réalise une première cavité 30 permettant de contenir le corps actif, par exemple par gravure de type DRIE. Par exemple, cette première cavité 30 est réalisée dans la couche d'isolant et une portion de la couche support, comme illustré sur la figure 8.
Ce troisième substrat 3 est ensuite scellé (figures 9 et 10) à la couche active du premier substrat 1 de sorte que le corps actif se retrouve à l'intérieur de cette première cavité 30. En d'autres termes, la surface libre de la couche isolante 31 du troisième substrat 3 est scellée à la surface libre du cadre 15 de la première couche active.
De même, les couches non actives, à savoir la couche isolante 21 et la couche support 22, du deuxième substrat 2 sont éliminées (figure 11).
A partir d'un quatrième substrat 4 (figure 12) comprenant notamment une couche d'isolant 41 (par exemple une couche d'oxyde) et une couche support 42 (ou bulk), on réalise également une deuxième cavité 40, par exemple par gravure de type DRIE. Par exemple, cette deuxième cavité 30 est réalisée dans la couche d'isolant et une portion de la couche support, comme illustré sur la figure 12.
Ce quatrième substrat 4 est ensuite scellé (figures 12 et 13) à la couche active du deuxième substrat 2 de sorte que le corps actif et les poutres de mesure se retrouvent encapsulés à l'intérieur de l'enceinte hermétique formé par les première et deuxième cavités 30, 40.
Des évidements traversant l'épaisseur du troisième substrat 3 et débouchant au niveau du cadre 15 du premier substrat 1 peuvent également être réalisés (figure 14). Le dépôt d'un point de contact électrique 6 dans ces évidements permet de récupérer le signal électrique généré lors de la déflection du corps d'épreuve 13.
Ainsi, le procédé de fabrication de l'invention permet notamment de réaliser des capteurs inertiels munis notamment de corps d'épreuve de masse plus 9 importante combiné à des poutres de mesure de type jauges de contrainte ou résonateurs d'épaisseur très faible, sans altération de la sensibilité de l'ensemble. En d'autres termes, la solution de l'invention permet d'optimiser les dimensions du corps d'épreuve et des poutres de mesure de manière à améliorer les performances du capteur. Il est donc possible d'obtenir à la fois un corps d'épreuve de masse élevée pour induire une contrainte élevée sur les poutres de mesure, et des poutres de mesure de très faible épaisseur pour une meilleure sensibilité de détection.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un capteur inertiel caractérisé en ce qu'il comprend au moins : - la réalisation d'au moins un corps actif formé d'un corps d'épreuve (13) et de lames déformables (14), par gravure d'une première couche active (10) d'un premier substrat (1), ladite première couche active (10) présentant une première épaisseur (e1) ; - la réalisation d'au moins une poutre de mesure (23) par gravure d'une deuxième couche active (20) d'un deuxième substrat (2), ladite deuxième couche active (20) présentant une deuxième épaisseur (e2) inférieure à ladite première épaisseur (e1) ; - le scellement de la première couche active (10) avec la deuxième couche active (20) ; - l'élimination des couches non actives (11, 12) du premier substrat (1) ; - la réalisation d'une première cavité (30) par gravure d'un troisième substrat (30) ; - le scellement du troisième substrat (3) avec la couche active du premier substrat (1), le corps actif étant disposé à l'intérieur de la première cavité (30) ; - l'élimination des couches non actives (21, 22) du deuxième substrat (2) ; - la réalisation d'une deuxième cavité (40) par gravure d'un quatrième substrat (4) ; et - le scellement du quatrième substrat (4) avec la couche active du deuxième substrat (2).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la 25 réalisation d'un contact électrique entre le corps actif et la poutre de mesure (23).
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit contact électrique est réalisé lors du scellement de la première couche active avec la deuxième couche active, ce scellement induisant à la fois un contact mécanique et 30 un contact électrique entre la poutre et le corps actif.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la poutre de mesure (23) est en matériau piézorésistif formant jauge de contrainte.
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la poutre 5 de mesure (23) est un résonateur mécanique.
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le ratio de la première épaisseur (e1) sur la deuxième épaisseur (e2) est supérieur ou égal à 5. 10
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - la réalisation d'au moins un évidement (5) traversant l'épaisseur du troisième substrat (3) et débouchant sur le premier substrat (1) ; et 15 - le dépôt d'un point de contact électrique (6) dans ledit évidement (5).
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le milieu dans lequel sont enfermés la poutre de mesure et le corps actif contient du vide.
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'ensemble des scellements du procédé de fabrication sont réalisés sous vide ou sous atmosphère contrôlée. 25
  10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la poutre de mesure et la masse d'épreuve sont en silicium monocristallin.
  11. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que la poutre de mesure est en silicium monocristallin dopés.
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les premier et deuxième substrats (1, 2) sont de type SOI. 20 30
  13. 13. Capteur inertiel caractérisé en ce qu'il comprend au moins une poutre de mesure (23) et un corps actif formé d'un corps d'épreuve (13) et de lames déformables (14), ledit corps actif étant maintenu en suspension à l'intérieur d'une enceinte hermétique via ses lames (14), la poutre de mesure (23) reliant une partie du corps d'épreuve (13) à une paroi interne de ladite enceinte, ladite poutre de mesure (23) présentant une épaisseur inférieure à celle du corps d'épreuve (13).10
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