FR3002405A1 - Capteur avec une cavite scellee sous vide - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un procédé et un appareil pour la détection de bruits sous-marins. Une forme de réalisation de l'appareil comprend un substrat (150) avec une cavité scellée sous vide (140). Une structure de support (130) et un capteur de pression acoustique sont situés sur le substrat (150). La structure de support (130) de l'appareil peut comprendre une première couche d'oxyde (130b) située sur le substrat (150), une couche de silicium (130c) située sur la première couche d'oxyde (130b), et une deuxième couche d'oxyde (130a) située sur la couche de silicium (130c). Le capteur de pression acoustique de l'appareil comprend une première couche d'électrode (110c) située sur le substrat (150), une couche piézoélectrique (110b) située sur la première couche d'électrode (110c), et une deuxième couche d'électrode (110a) située sur la couche piézoélectrique (110b).

Description

Cette invention se rapporte d'une manière générale à des capteurs à microsystème électromécanique piézoélectrique (MENS), et plus particulièrement, dans certaines formes de réalisation, à un hydrophone MENS piézoélectrique à haute performance pour la détection de signal acoustique sous-marin. Les hydrophones sont des dispositifs utilisés de manière typique pour détecter des bruits sous-marins. Ils sont largement utilisés, par exemple, dans les systèmes de détection marine de pétrole et de gaz, les systèmes de sonars, les systèmes de communication sous-marine et le matériel de plongée, etc. Par exemple, dans l'exploration sismique marine, des formations contenant des hydrocarbures peuvent être localisées en générant des signaux de source acoustique dans une étendue d'eau, et en détectant des signaux acoustiques qui résultent, au moins en partie, des signaux de source acoustique qui interagissent avec des formations de sol sous l'étendue d'eau. De nombreux hydrophones comprennent des matières piézoélectriques qui, lorsqu'elles sont déformées par la pression acoustique d'une onde sonore, produisent de l'électricité. Des électrodes peuvent être utilisées pour détecter l'électricité générée, et plus la pression acoustique appliquée est importante, plus la charge induite est grande. Dans de nombreux cas, de bonnes performances à basse fréquence sont souhaitées de la part des hydrophones (s'étendant de plusieurs Hz à plusieurs kHz) en raison d'une grande perte de transmission et de la distance de transmission courte des signaux à haute fréquence dans l'eau. De plus, une grande plage dynamique, une faible impédance acoustique, et une bonne linéarité sont également des critères de conception souhaitables pour un hydrophone.

Afin de répondre à ces souhaits de performances et ces critères de conception, la présente invention prévoit, dans un premier aspect, un appareil, qui peut être un hydrophone, comportant un substrat qui comprend une cavité scellée sous vide, une structure de support située sur le substrat, et un capteur de pression acoustique situé sur le substrat. La structure de support peut comprendre une première couche d'oxyde située sur le substrat, une couche de silicium située sur la première couche d'oxyde, et une deuxième couche d'oxyde située sur la couche de silicium. Le capteur de pression acoustique peut comprendre une première couche d'électrode située sur le substrat, une couche piézoélectrique située sur la première couche d'électrode, et une deuxième couche d'électrode située sur la couche piézoélectrique, l'appareil pouvant être configuré pour mesurer une onde acoustique reçue au niveau du capteur de pression. Une partie de la structure de support peut former une limite de la cavité scellée sous vide. La cavité scellée sous vide peut être complètement délimitée par le substrat. Une épaisseur de la structure de support peut être au moins 4 pm plus grande qu'une épaisseur de la couche piézoélectrique. Une surface de la deuxième couche d'électrode peut faire entre 70 et 90 pour cent d'une surface de la couche piézoélectrique. Dans un deuxième aspect, la présente invention prévoit un procédé qui comporte le fait de mesurer une pression d'un signal acoustique reçu au niveau d'un capteur d'un dispositif situé dans une étendue d'eau, le dispositif comprenant une structure de support située entre une cavité scellée sous vide et le capteur. Le capteur peut comprendre une couche d'électrode supérieure et une couche piézoélectrique, et une surface de la couche d'électrode supérieure peut faire de 70 à 90 pour cent d'une surface de la couche piézoélectrique. Le signal acoustique peut résulter d'un signal de source acoustique qui interagit avec une formation de sol sous l'étendue d'eau.

Enfin, dans un troisième aspect, la présente invention prévoit un appareil qui comporte une pluralité d'hydrophones configurés pour réaliser une détection de signal acoustique sous-marin, au moins un hydrophone de la pluralité d'hydrophones comprenant une cavité scellée sous vide dimensionnée pour réduire le bruit Brownien dans l'appareil. Le au moins un hydrophone peut comprendre un capteur et une structure de support, le capteur étant configuré pour recevoir un signal acoustique, et la structure de support comprenant une première couche diélectrique. La structure de support peut comprendre la première couche diélectrique située sur un substrat, une couche de silicium située sur la première couche diélectrique, et une deuxième couche diélectrique située sur la couche de silicium, la deuxième couche diélectrique étant en contact avec le capteur. La cavité scellée sous vide peut être délimitée par le substrat et une couche diélectrique. La cavité scellée sous vide peut être complètement délimitée par le substrat. La pluralité d'hydrophones peut être disposée dans une grille ayant une pluralité de lignes et une pluralité de colonnes, la pluralité d'hydrophones générant une charge accumulée suffisante pour être détectée par un préamplificateur. Une épaisseur de la structure de support peut être plus grande qu'une épaisseur du capteur de 4 pm ou plus. Le capteur peut comprendre une première couche d'électrode en contact avec la structure de support, une couche piézoélectrique en contact avec la première couche d'électrode et une deuxième couche d'électrode en contact avec la couche piézoélectrique. Une surface de la deuxième couche d'électrode peut faire 70 à 90 pour cent d'une surface de la couche piézoélectrique. La figure 1 est une forme de réalisation d'exemple d'un hydrophone ; La figure 2 est un diagramme illustrant la relation entre un coefficient d'amortissement d'exemple et la profondeur d'une cavité scellée sous vide d'un hydrophone d'exemple ; La figure 3 illustre une vue en coupe détaillée de la structure de détection d'une forme de réalisation de l'hydrophone ; Les figures 4A et 43 sont des diagrammes illustrant la relation entre la sensibilité de charge et le rapport de rayon entre une électrode supérieure et une couche piézoélectrique adjacente d'une forme de réalisation d'un hydrophone ; La figure 5 illustre un agencement possible des hydrophones disposés dans une grille ; et Les figures 6A à 6J illustrent un déroulement de processus d'exemple pour la fabrication d'un hydrophone. Si l'on passe maintenant à la figure 1, une forme de réalisation d'exemple d'un hydrophone à microsystème électromécanique (MEMS) y est représentée. Tel qu'utilisé ici, le terme « MENS » se rapporte à une technologie pour des éléments mécaniques et électromécaniques miniaturisés qui sont fabriqués en utilisant des techniques modifiées de fabrication de dispositifs à semi-conducteurs. Un dispositif MENS, dans une forme de réalisation, peut être constitué de composants entre environ 1 pm et 1 mm de taille. Les éléments fonctionnels de MENS peuvent inclure des structures, des capteurs, des dispositifs d'actionnement, de la microélectronique, etc. miniaturisés.

Comme cela est illustré, l'appareil 100 comprend une pluralité de couches 110 et 130 disposées sur un substrat 150. L'appareil 100, dans une forme de réalisation, est un hydrophone ; dans une autre forme de réalisation, l'appareil 100 comprend un hydrophone. Dans une forme de réalisation, une cavité 140 est disposée entre le substrat 150 et la couche de structure de support 130 ; une couche de structure de détection 110 est disposée sur la couche de structure de support 130.

Comme cela est représenté, dans une forme de réalisation, la couche de structure de détection 110 comprend une couche d'électrode supérieure 110a, une couche d'électrode inférieure 110c, et une couche piézoélectrique 110b située entre les deux couches d'électrode 110a et 110c. Le terme « piézoélectrique » a sa signification habituelle et acceptée dans le domaine, comprenant un type de matière qui, lorsqu'elle est déformée, génère de l'électricité. Dans une forme de réalisation, la couche piézoélectrique 110b peut être fabriquée en utilisant du nitrure d'aluminium (A1N) afin de créer une couche piézoélectrique d'AIN. Dans différentes formes de réalisation, la couche piézoélectrique 110b peut être dans n'importe quelle matière piézoélectrique qui génère de l'électricité lorsqu'elle est soumise à un effort ou une contrainte appliqués. Une telle matière piézoélectrique peut convertir un signal sonore en signal électrique du fait que les ondes sonores génèrent une pression acoustique. La pression acoustique associée à une onde sonore peut être provoquée par l'écart de pression locale par rapport à la pression atmosphérique moyenne provoquée par l'onde sonore. L'appareil 100 peut ainsi être utilisé pour mesurer la pression acoustique dans l'eau. Dans différentes formes de réalisation, lorsqu'une pression acoustique 120 amène la couche piézoélectrique 110b à se déformer, les couches d'électrode 110a et 110c peuvent être utilisées pour collecter l'électricité générée. Dans une forme de réalisation, les couches d'électrode 110a et 110c sont placées de telle sorte qu'elles sont disposées sur le dessus et le dessous des couches de matière piézoélectrique 110b ; de cette manière, les couches d'électrode 110a et 110c sont placées de telle sorte qu'une charge maximum peut être collectée à partir de la couche piézoélectrique 110b. Dans certaines formes de réalisation, les couches d'électrode 110a et 110c peuvent être fabriquées en utilisant n'importe quel type de conducteur. Par exemple, un conducteur peut être en métal tel que de l'aluminium, du silicium fortement dopé, un métal réfractaire tel que le tungstène, un siliciure, ou n'importe quel autre type de matière conductrice, etc. Les couches d'électrode peuvent mettre en oeuvre une variété de matières quelconques présentant les propriétés d'un conducteur. Au-dessous de la couche de détection 110, dans différentes formes de réalisation, une couche de structure de support 130 est mise en oeuvre pour stabiliser la sensibilité de l'appareil 100. Comme cela est discuté plus en détail ci-dessous, dans différentes formes de réalisation, la couche piézoélectrique 110 est formée par dépôt à haute température. En raison du dépôt à haute température, une contrainte résiduelle est induite dans la matière déposée. Telle qu'utilisée ici, l'expression « contrainte résiduelle » a sa signification habituelle et acceptée dans le domaine, comprenant des contraintes qui subsistent une fois qu'une cause initiale de la contrainte (par exemple des forces externes, un gradient thermique) a été enlevée. Dans certaines formes de réalisation, du fait de la couche de support 130 qui est dimensionnée pour être plus grande que la couche piézoélectrique 110b, la contrainte résiduelle dans la couche piézoélectrique 110b a un effet minimal sur la sensibilité de l'appareil 100. Ainsi, dans différentes formes de réalisation, la couche de structure de support 130 est dimensionnée pour être plus grande que la couche piézoélectrique 110b. Dans certaines formes de réalisation, par exemple, la couche de structure de support 130 est dimensionnée pour faire environ 6 pm d'épaisseur alors que la couche piézoélectrique 110b est dimensionnée pour faire environ 0,8 pm d'épaisseur. Dans différentes formes de réalisation, l'épaisseur d'une couche de structure de support 130 peut être d'au moins environ 4 pm plus grande qu'une épaisseur d'une couche piézoélectrique 110b. Dans différentes formes de réalisation, la couche de structure de support 130 peut être plus grande qu'environ 5 pm d'épaisseur tandis que la couche piézoélectrique 110b peut être plus grande qu'environ 0,4 pm d'épaisseur. Dans différentes formes de réalisation, la couche de structure de support 130 peut comprendre une couche diélectrique supérieure 130a, une couche de silicium 130c, et une couche diélectrique inférieure 130b. Les couches diélectriques 130a et 130b peuvent être un diélectrique quelconque, pour l'exemple, de la silice (Si02), qui peut être utilisé dans la couche diélectrique 130e afin d'éviter une fuite de charge de la couche d'électrode 110c. Tel qu'utilisé ici, le terme « diélectrique » a sa signification habituelle et acceptée dans le domaine, qui comprend une matière qui agit comme un isolant électrique. Dans un diélectrique, les charges électriques se déplacent seulement légèrement par rapport à leurs positions d'équilibre moyennes quand un champ électrique est appliqué. Ainsi, des charges électriques ne circulent pas à travers la matière diélectrique comme elles le font dans un conducteur. Ainsi, la couche diélectrique 130a peut être utilisée comme isolant de telle sorte que la charge collectée dans la couche d'électrode 110c ne fuit pas dans la couche de structure de support 130. Dans différentes formes de réalisation, la couche diélectrique inférieure 130b délimite complètement le dessus de la cavité scellée sous vide 140, et est ainsi utilisée pour créer cette cavité (par exemple par liaison par fusion). Une illustration d'exemple d'un processus de fabrication qui est utilisé pour fabriquer l'appareil 100 est discutée davantage ci-dessous en rapport avec les figures 6A à 6J. Il est à noter que la couche de structure de support 130 n'est pas limitée aux composants illustrés. Dans différentes formes de réalisation, la couche de structure de support 130 peut comprendre différentes couches plus ou moins nombreuses. Par exemple, dans certaines formes de réalisation, la couche de structure de support 130 peut comprendre deux couches diélectriques, une couche diélectrique ou pas de couches diélectriques. La couche de structure de support 130 peut également comprendre une unique couche comprenant du silicium ou n'importe quelle autre matière qui peut procurer le support structurel suffisant pour minimiser la contrainte résiduelle qui subsiste dans la couche piézoélectrique 110b après un processus de dépôt à haute température.

Au-dessous de la couche de structure de support 130, dans une forme de réalisation, se trouve un substrat 150. Comme cela est représenté, le substrat 150 est formé de façon à former une cavité scellée sous vide 140 lorsqu'il est placé en contact avec la couche de structure de support 130. Tel qu'utilisé ici, le terme « substrat » a sa signification habituelle et acceptée dans le domaine, qui comprend la matière physique sur laquelle un micro-dispositif ou un dispositif à semi-conducteur est placé. Dans différentes formes de réalisation, le substrat 150 est une rondelle (c'est-à-dire une mince tranche de matière semi-conductrice) utilisée dans la fabrication des micro-dispositifs. Dans différentes formes de réalisation, le substrat 150 est une rondelle de silicium. Dans d'autres formes de réalisation, le substrat 150 est une rondelle de silicium sur un isolant (SOI). Par exemple, dans certaines formes de réalisation, la rondelle SOI peut avoir une couche de dispositif qui fait environ 4 pin de profondeur et une couche d'oxyde noyé qui fait environ 1 pin de profondeur. Dans la forme de réalisation illustrée, la cavité scellée sous vide 140 est située dans le substrat 150. Parmi une variété de facteurs qui peuvent réduire la sensibilité de l'appareil à hydrophone 100, deux de ces facteurs sont l'impédance acoustique et le bruit Un type de bruit est le bruit Brownien, qui se rapporte au bruit produit par mouvement Brownien. Le mouvement Brownien est généralement considéré comme le mouvement supposé aléatoire des particules suspendues dans un liquide ou un gaz qui résulte de leur bombardement par des atomes ou des molécules se déplaçant rapidement dans le liquide ou le gaz. Dans une forme de réalisation, la cavité scellée sous vide 140 est utilisée pour réduire le bruit Brownien, c'est-à-dire le bruit Brownien à l'intérieur de l'appareil 100. Dans certaines formes de réalisation, quand la couche de structure de détection 110 vibre du fait d'une pression acoustique 120 qui est appliquée, du bruit Brownien peut en résulter et être détecté par l'appareil 100. Par conséquent, dans certaines formes de réalisation, l'utilisation de la cavité scellée sous vide 140 peut minimiser le bruit Brownien à l'intérieur de l'appareil 100. La cavité scellée sous vide 140 peut également être utilisée pour réduire l'impédance acoustique et pour stabiliser ainsi la sensibilité de l'appareil à hydrophone 100. Plus spécialement, le bruit Brownien qui peut être associé à et résulter de la sensibilité réduite de 5 l'appareil 100 peut être représenté par l'équation suivante : Bruit= - «V4kBTD/S Dans cette équation, kB est la constante de 10 Boltzmann (1,381 x 10-23 J/K) ; T représente la température ambiante en K. D représente le coefficient d'amortissement en N/(m/s), et S représente la surface d'une surface de diaphragme d'hydrophone en m2. En mécanique des vibrations, l'amortissement est un effet (c'est-à-dire une force 15 d'amortissement) qui réduit l'amplitude d'oscillations dans un système oscillant, et cet effet est linéairement lié à la vitesse des oscillations. Le coefficient d'amortissement est généralement défini comme le rapport entre la force d'amortissement et la vitesse d'oscillation. Comme cela 20 peut se voir grâce à cette équation, plus la valeur du coefficient d'amortissement est petite, plus la valeur de BruitmEms est petite. Dans certaines formes de réalisation, ce coefficient d'amortissement peut être lié à l'effet d'amortissement du gaz qui peut être très significatif dans 25 certains cas. Dans certaines formes de réalisation, le fluide dans la cavité peut comporter différents types de gaz tels que l'air raréfié. L'amortissement peut se produire à partir du rayonnement acoustique dans l'air. Cet effet d'amortissement est l'un d'une variété de mécanismes 30 qui peuvent limiter la sensibilité de l'appareil 100. Ainsi, dans certaines formes de réalisation, la valeur de BruitmEms peut être commandée en commandant le coefficient d'amortissement. Dans certaines formes de réalisation, cet effet peut être obtenu en modifiant la profondeur et le niveau de vide de la cavité scellée sous vide 140. Par exemple, nous pouvons réduire le coefficient d'amortissement en augmentant la profondeur ou en diminuant le niveau de vide de la cavité. En variante, dans d'autres formes de réalisation, le coefficient d'amortissement est commandé en modifiant la pression de vide à l'intérieur de la cavité scellée sous vide 140. Comme cela devrait être apprécié par les hommes de l'art avec l'avantage de cette divulgation, lorsque la pression de cavité diminue (c'est- à-dire le niveau de vide augmente), le coefficient d'amortissement (D) diminue. Ainsi, lorsque le niveau de vide dans la cavité scellée sous vide 140 est augmenté, le bruit Brownien diminue. La cavité scellée sous vide 140 peut également être efficace pour maintenir stable l'impédance acoustique. L'impédance acoustique indique combien de pression acoustique est générée par la vibration des molécules d'un milieu acoustique particulier à une fréquence donnée. Certains hydrophones qui n'ont pas une cavité scellée sous vide peuvent connaître une augmentation de l'impédance acoustique arrière lorsqu'un hydrophone est placé plus profondément dans l'océan. L'augmentation de l'impédance acoustique arrière peut avoir pour résultat une sensibilité diminuée. Dans une forme de réalisation, l'impédance acoustique dans la cavité scellée sous vide 140 est directement corrélée à la densité de l'air dans la cavité 140 et une vitesse acoustique. Du fait que la densité de l'air et la vitesse acoustique demeurent toutes les deux presque inchangées dans une cavité scellée, l'impédance acoustique de la cavité est maintenue à un niveau stable indépendamment de la profondeur de l'hydrophone. Ainsi, dans certaines formes de réalisation, la cavité scellée sous vide 140 est efficace pour maintenir stable l'impédance acoustique, ainsi que pour réduire le bruit Brownien. Dans certaines formes de réalisation, le bruit Brownien peut être réduit à un niveau insignifiant (par exemple environ 3,5 x 10-7 Pah/Hz ou moins), indépendamment de la profondeur de l'appareil 100.

Par conséquent, lorsque la profondeur et la pression de la cavité scellée sous vide 140 sont utilisées pour commander le coefficient d'amortissement (D), dans certaines formes de réalisation, la cavité scellée sous vide 140 est étalonnée de telle sorte qu'elle a une profondeur d'environ 2 um et une pression d'environ 0,1 hPa. Dans différentes formes de réalisation, la cavité scellée sous vide 140 a une profondeur s'étendant d'environ 1 pm à 10 pm. Dans d'autres formes de réalisation, la pression de vide est entre environ 0,1 hPa et 10 hPa (par exemple 1 hPa). Dans certaines formes de réalisation, la cavité scellée sous vide 140 est placée directement au-dessous de la couche d'oxyde 130b. La couche d'oxyde 130b peut ainsi former une limite de la cavité scellée sous vide 140. Dans d'autres formes de réalisation, à la place de la couche d'oxyde 130b formant une limite de la cavité scellée sous vide 140, la cavité scellée sous vide 140 peut être complètement délimitée par le substrat 150. Par exemple, la limite supérieure de la cavité scellée sous vide 140 peut être à environ 0,5 pm à 1 pm à partir du bas d'une couche d'oxyde 130b. Des résultats simulés représentant une corrélation entre la profondeur de la cavité scellée sous vide 140 et le coefficient d'amortissement sont représentés dans la figure 2.

Si l'on passe maintenant à la figure 2, une relation d'exemple entre le coefficient d'amortissement (D) et la profondeur de la cavité scellée sous vide d'un hydrophone d'exemple y est représentée. Comme cela est illustré dans le diagramme 200, la profondeur de la cavité scellée sous vide (par exemple la cavité 140) est reportée le long de l'axe horizontal. Les coefficients d'amortissement calculés par des simulations sont reportés le long de l'axe vertical utilisant une échelle logarithmique en base 10. Les coefficients d'amortissement pour trois niveaux différents de vide dans une cavité scellée sous vide sont représentés. Comme cela peut se voir, lorsque la profondeur de cavité est augmentée, le coefficient d'amortissement qui en résulte diminue. Comme cela devrait être apprécié par des personnes du métier avec l'avantage de cette divulgation, les résultats simulés illustrent qu'une cavité scellée sous vide avec une profondeur de 2 pm a pour résultat un coefficient d'amortissement qui est suffisamment bas pour permettre à la cavité scellée sous vide de maintenir le bruit Brownien à un niveau acceptable. Dans une forme de réalisation, une cavité scellée sous vide dimensionnée pour avoir une profondeur de 2 pm peut réduire le bruit Brownien d'un appareil à hydrophone unique 100 à un niveau acceptable (par exemple seulement 5 x 10-7 Pahhiz à 300K). Si l'on revient à la figure 1, comme cela a été discuté précédemment, du fait que la pression acoustique interagit avec la couche de structure de détection 110, elle amène la couche piézoélectrique 110b à se déformer. La charge générée par la déformation d'une couche 110b est recueillie au niveau d'électrodes désignées, telles que les couches d'électrode 110a et 110c. Dans certaines formes de réalisation, la couche d'électrode 110a est dimensionnée par rapport à la couche piézoélectrique 110b de telle sorte qu'une charge induite maximum est obtenue. Ceci est discuté ci-dessous en rapport avec la figure 3. Si l'on passe maintenant à la figure 3, une section transversale détaillée d'une structure de détection 300 y est représentée. Dans certaines formes de réalisation, la structure de détection 300 est la même que la couche de structure de détection 110 discutée en se référant à la figure 1 (par exemple, les couches 310 à 330 correspondent aux couches 110a à 110c dans la figure 1).

Dans différentes formes de réalisation, la couche d'électrode supérieure 310 est dimensionnée de telle sorte qu'une charge induite maximum est obtenue. Comme cela a été discuté précédemment en rapport avec la figure 1, ces couches d'électrode peuvent être fabriquées en utilisant n'importe quelle matière qui conduit l'électricité. Dans certaines formes de réalisation, les couches d'électrode 310 et 330 peuvent être fabriquées en utilisant n'importe quelle matière qui peut agir comme un conducteur électrique, et peuvent être utilisées pour établir le contact avec une partie non métallique d'un dispositif. Dans certaines formes de réalisation, une charge induite maximum est obtenue en dimensionnant la couche d'électrode supérieure 310 par rapport à la couche piézoélectrique 320. Comme cela est indiqué dans la figure 3, des distances 340 et 350 sont représentées. La distance 340 est indicative de la moitié de la largeur d'une couche d'électrode supérieure 310 (la figure 3 représente une largeur en coupe de la structure 300). D'une manière similaire, la distance 350 représente la moitié de la largeur d'une couche piézoélectrique 320. Dans différentes formes de réalisation, la forme des différentes électrodes, des couches piézoélectriques et des différents composants de la structure de détection peut varier. Par exemple, dans une forme de réalisation, la couche d'électrode supérieure peut être mise en oeuvre avec une forme circulaire. Dans ce cas, la distance 340 représente le rayon d'une couche d'électrode supérieure 310. Des commentaires similaires s'appliquent à la distance 350 par rapport à la couche piézoélectrique 320. Dans d'autres formes de réalisation, les couches de la structure 300 peuvent être mises en oeuvre avec d'autres formes (par exemple des quadrilatères). Dans ce cas, les distances 340 et 350 représentent la moitié de la largeur en coupe de ces couches.

Dans certaines formes de réalisation, la différence de taille entre les différents composants de la structure de détection peut être décrite par la surface. Par exemple, dans une forme de réalisation particulière, une charge induite maximum est obtenue en dimensionnant la couche d'électrode supérieure 310 de telle sorte que sa surface est plus petite que celle de la surface d'une couche piézoélectrique 320. Par exemple, dans certaines formes de réalisation, l'électrode supérieure est dimensionnée de telle sorte que la surface de la couche d'électrode supérieure 310 fait entre environ 70 et 90 pour cent de la surface de la couche piézoélectrique 320 (c'est-à-dire un rapport de surface 310 sur 320 entre environ 70 et 90 pour cent). Dans une forme de réalisation particulière, la surface d'une couche d'électrode supérieure 310 est approximativement 77 pour cent d'une couche piézoélectrique 320 (c'est-à-dire dans une plage de plus ou moins 1 pour cent autour de 77 pour cent). Dans une forme de réalisation particulière dans laquelle les différents composants sont mis en oeuvre avec une forme circulaire, la distance 340 fait environ 88 pour cent de la distance 350. Dans une autre forme de réalisation spécifique, la couche d'électrode supérieure 310 est dimensionnée de telle sorte que la distance 340 est d'environ 100 pm et la couche piézoélectrique 320 est dimensionnée de telle sorte que la distance 350 est d'environ 125 pin. Les plages divulguées ne sont pas limitatives et sont à titre d'exemple. La forme de réalisation peut utiliser une plage qui comprend une partie de la plage divulguée ou tombe en dehors de la plage. Par exemple, certaines formes de réalisation peuvent avoir un rapport de surface qui est inférieur à environ 70 pour cent. D'autres peuvent avoir un rapport de surface qui est plus grand qu'environ 90 pour cent. Si l'on passe maintenant à la figure 4A, les résultats simulés montrent la variation de sensibilité de charge lorsque le rapport de rayon entre une électrode supérieure d'exemple et une couche piézoélectrique adjacente est modifié. L'électrode supérieure et une couche piézoélectrique adjacente peuvent être la couche d'électrode 310 et la couche piézoélectrique 320 comme cela a été discuté en se référant à la figure 3. Comme cela est illustré dans le diagramme 400, le rapport de rayon est reporté le long de l'axe horizontal et la sensibilité de charge est reportée le long de l'axe vertical. D'une manière générale, une sensibilité de charge plus élevée est souhaitée et est directement corrélée à la quantité de charge induite. Comme cela est illustré dans le diagramme 400, aux points 410, une charge induite maximum est obtenue avec le rapport de rayon d'approximativement 88 pour cent. Dans des formes de réalisation dans lesquelles les composants de détection ont une forme circulaire, ce rapport de rayon se traduit par un rapport de surface de 77 pour cent. Ainsi, dans différentes formes de réalisation d'un hydrophone, les couches respectives dans la structure de détection peuvent être dimensionnées de telle sorte qu'une charge induite maximum est réalisée. Si l'on passe maintenant à la figure 4E, le diagramme 450 montre les résultats simulés de la charge induite résultant d'une structure de détection dimensionnée comme cela a été discuté en se référant à la figure 3. Le diagramme 450 explique la relation linéaire approximative entre une pression acoustique, telle que la pression acoustique 120 comme cela a été discuté en se référant à la figure 1, et la charge induite résultante. La sensibilité simulée démontre une sensibilité d'environ de 3,83 x 10-5 pC/Pa dans l'appareil à hydrophone 100. Comme peut se voir dans le diagramme 450, plus la quantité de pression qui est appliquée sur l'appareil à hydrophone 100 est grande, plus la charge mesurée est grande. Dans certaines formes de réalisation, la charge induite générée par un hydrophone unique, cependant, peut être insuffisante pour être détectée par certains préamplificateurs. Dans différentes formes de réalisation, un préamplificateur peut être utilisé pour préparer des faibles signaux électriques pour une amplification ou un traitement supplémentaires. Si l'on passe maintenant à la figure 5, un 15 agencement des hydrophones dans une grille 500 y est représenté. Bien que l'agencement dans la figure 5 soit représenté comme un carré, cet agencement peut prendre n'importe quelle forme (par exemple circulaire, octogonale). Cet agencement des hydrophones dans une grille 20 avec une pluralité de lignes et de colonnes permet à une charge individuelle générée par chaque hydrophone 510 d'être accumulée. La charge accumulée a pour résultat une quantité suffisante de charge qui peut être détectée par un préamplificateur. Comme cela est représenté, des 25 hydrophones peuvent être placés dans une grille de trois (3) par trois (3) pour former une cellule 520. Dans certaines formes de réalisation, une grille de quatre (4) par quatre (4) hydrophones peut être placée dans une cellule. La grille 500 n'est pas limitée à ces dimensions 30 illustrées ; elle peut contenir plus ou moins d'éléments différents de ceux illustrés dans la figure 5. La conception de la grille vise à améliorer la sensibilité de l'hydrophone. Du fait que la sensibilité améliorée est corrélée à la somme de la charge de chaque cellule, un certain nombre d'hydrophones peut être disposé d'une manière telle qu'un niveau souhaité de sensibilité est acquis. Dans certaines formes de réalisation, la grille 500 peut contenir un nombre minimum d'hydrophones nécessaire pour procurer une quantité accumulée de charge qui est suffisante pour répondre aux caractéristiques d'une variété de préamplificateurs qui peuvent être utilisés pour détecter et amplifier la charge. Si l'on passe maintenant aux figures 6A à 6J, un ensemble d'exemple d'étapes de fabrication qui peuvent être utilisées pour fabriquer l'hydrophone divulgué (par exemple l'appareil 100 discuté ci-dessus en se référant à la figure 1) y est représenté. Comme cela devrait être apprécié par des personnes du métier avec l'avantage de cette divulgation, différentes techniques de fabrication peuvent être utilisées pour fabriquer les différentes formes de réalisation divulguées d'un hydrophone. Comme cela est représenté dans la figure 6A, dans un déroulement d'exemple, le processus commence avec une rondelle polie sur les deux faces 615. Des repères d'alignement 618 sont gravés sur le côté arrière de la rondelle 615 et une cavité 610 est gravée sur le côté avant de la rondelle 615. Dans la figure 63, une rondelle différente de silicium sur un isolant (SOI) 620 est utilisée. Dans cette forme de réalisation, la rondelle SOI 620 a une couche d'oxyde noyé de 1 pm (625) et une couche de dispositif de 4 im (627). De la matière diélectrique est déposée sous la forme d'une couche 630 de 1 m sur le côté avant de la rondelle 620. Dans une étape de traitement ultérieure, les couches 625, 627 et 630 peuvent comprendre la structure de support (par exemple la couche de structure de support 130 discutée ci-dessus en se référant à la figure 1). Comme cela a été discuté précédemment, dans certaines formes de réalisation, la couche diélectrique 630 se compose de dioxyde de silicium. La couche diélectrique 630 peut être déposée sur le rondelle 620 afin d'agir comme une couche d'isolation afin d'éviter une fuite de charge depuis une couche d'électrode adjacente. Dans certaines formes de réalisation, la couche diélectrique 630 est fabriquée en utilisant la technique de micro-fabrication connue sous le nom d'oxydation thermique. Comme cela est apprécié par les hommes de l'art, différentes techniques de fabrication peuvent être utilisées pour graver et fabriquer différentes couches diélectriques sur différentes rondelles. Si l'on passe maintenant à la figure 60, les rondelles 615 et 620 sont collées ensemble dans une forme de réalisation afin de créer la cavité scellée sous vide 610 en utilisant une liaison par fusion. Dans la figure 6D, la couche de manipulation de la rondelle 620 est enlevée pour un traitement ultérieur de la rondelle 620. Dans la figure 6E, une couche d'ensemencement piézoélectrique très mince, une couche d'électrode inférieure, une couche piézoélectrique et une couche d'électrode supérieure sont pulvérisées sur une couche d'oxyde noyé 625 de manière séquentielle afin de former la structure de détection 635. Dans certaines formes de réalisation, la couche piézoélectrique est formée en déposant des particules de nitrure d'aluminium en utilisant une technique de dépôt à haute température. A cause du dépôt à haute température, une contrainte résiduelle est induite dans la matière piézoélectrique du fait que la cause initiale de la contrainte (par exemple la chaleur) est enlevée une fois que le dépôt à haute température est terminé. Lorsqu'une couche de support épaisse est mise en oeuvre (par exemple les couches 625, 627 et 630), l'impact de la contrainte résiduelle sur la sensibilité de l'hydrophone est minimale. Dans certaines formes de réalisation, les repères d'alignement 640 sont également transférés depuis le côté arrière jusqu'au côté avant afin d'assurer un alignement supplémentaire pendant des étapes ultérieures de lithographie. Si l'on passe à la figure 6F, une couche mince d'oxyde est déposée en utilisant un processus de dépôt chimique en phase vapeur amélioré par plasma (PECVD). L'oxyde est dessiné sous la forme d'un masque dur pour se préparer à graver l'électrode supérieure. Ce masque doit s'aligner sur les repères d'alignement précédents et s'arrêter au niveau de la couche piézoélectrique. Cette étape peut être utilisée pour dimensionner l'électrode supérieure de telle sorte que son rayon est plus petit que le rayon de la couche piézoélectrique adjacente au-dessous d'elle. Dans la figure 6G, une autre couche d'oxyde 650 peut être déposée en utilisant le dépôt d'oxyde PECVD. Cette couche est en outre dessinée et gravée de telle sorte que la couche piézoélectrique 625 est dimensionnée de telle sorte qu'un rapport idéal de surface (c'est-à-dire 77 pour cent) est obtenu entre le rapport de la surface entre l'électrode supérieure et la couche piézoélectrique adjacente. A ce stade, la structure de la couche de détection est établie et dimensionnée de telle sorte qu'une quantité maximum de charge induite est obtenue. Dans la figure 6H, une autre couche d'oxyde est déposée en utilisant le dépôt d'oxyde PECVD. Cette couche d'oxyde est ensuite dessinée et gravée sur l'électrode inférieure. Dans la figure 61, une couche épaisse d'oxyde PECVD est déposée et dessinée afin d'ouvrir les contacts 655 et 660 pour les deux électrodes supérieure et inférieure. Enfin, dans la figure 6J, une couche de métal est déposée et dessinée sur le côté avant afin de former des plots en métal 670 et 665. Comme cela devrait être apprécié par les hommes de l'art avec l'avantage de cette divulgation, ces plots en métal peuvent être utilisés pour mesurer la charge générée par la déformation de la couche piézoélectrique et collectée par les couches d'électrode. Bien que des formes de réalisation spécifiques aient été décrites ci-dessus, ces formes de réalisation ne 5 sont pas prévues pour limiter la portée de la présente divulgation, même lorsque seulement une unique forme de réalisation est décrite en rapport avec une caractéristique particulière. Des exemples de caractéristiques prévues dans la divulgation sont prévus pour être des illustrations 10 plutôt que des limitations sauf indication contraire. La description ci-dessus est prévue pour couvrir ces variantes, modifications, et des équivalents comme cela est évident pour un homme de l'art ayant l'avantage de cette divulgation.

15 La portée de la présente divulgation comprend n'importe quelle caractéristique ou combinaison de caractéristiques décrites ici (de manière explicite ou implicite), ou n'importe quelle généralisation de celles-ci, qu'elle règle ou pas toute ou partie des problèmes 20 abordés ici. De nombreuses variantes et modifications deviendront évidentes pour les hommes de l'art une fois que la divulgation ci-dessus est pleinement appréciée.

Claims (21)

1. REVENDICATIONS1. Appareil (100), caractérisé en ce qu'il comporte : un substrat (150) qui comprend une cavité scellée sous vide (140) ; une structure de support (130) située sur le substrat (150) ; et un capteur de pression acoustique situé sur le substrat (150).
2. 2. Appareil (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure de support (130) comprend : une première couche d'oxyde (130b) située sur le substrat (150) ; une couche de silicium (130c) située sur la première couche d'oxyde (130b) ; et une deuxième couche d'oxyde (130a) située sur la couche de silicium (130c).
3. 3. Appareil (100) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur de pression acoustique comprend : une première couche d'électrode (110c) située sur le substrat (150) ; une couche piézoélectrique (110b) située sur la première couche d'électrode (110c) ; et une deuxième couche d'électrode (110a) située sur la couche piézoélectrique (110b) ;l'appareil étant configuré pour mesurer une onde acoustique reçue au niveau du capteur de pression.
4. 4. Appareil (100) selon la revendication 1, 5 caractérisé en ce que le capteur de pression acoustique comprend : une première couche d'électrode (110c) disposée sur le substrat (150) ; une couche piézoélectrique (110b) disposée sur la 10 première couche d'électrode (110c) ; et une deuxième couche d'électrode (110a) disposée sur la couche piézoélectrique (110b).
5. 5. Appareil (100) selon la revendication 1, 15 caractérisé en ce qu'une partie de la structure de support (130) forme une limite de la cavité scellée sous vide (140).
6. 6. Appareil (100) selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que la cavité scellée sous vide (140) est complètement délimitée par le substrat (150).
7. 7. Appareil (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une épaisseur de la structure de 25 support (130) est au moins 4 pm plus grande qu'une épaisseur de la couche piézoélectrique (110b).
8. 8. Appareil (100) selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une surface de la deuxième couche 30 d'électrode (110a) fait entre 70 et 90 pour cent d'une surface de la couche piézoélectrique (110b).
9. 9. Appareil (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'appareil est un hydrophone.
10. 10. Procédé, caractérisé en ce qu'il comporte le fait de : mesurer une pression d'un signal acoustique reçu au niveau d'un capteur d'un dispositif situé dans une étendue d'eau, le dispositif comprenant une structure de support (130) située entre une cavité scellée sous vide (140) et le capteur.
11. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le capteur comprend une couche d'électrode supérieure et une couche piézoélectrique, et une surface de la couche d'électrode supérieure fait de 70 à 90 pour cent d'une surface de la couche piézoélectrique.
12. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le signal acoustique résulte d'un signal de source acoustique qui interagit avec une formation de sol sous l'étendue d'eau.
13. 13. Appareil, caractérisé en ce qu'il comporte : une pluralité d'hydrophones (510) configurés pour réaliser une détection de signal acoustique sous-marin, au moins un hydrophone de la pluralité d'hydrophones (510) comprenant une cavité scellée sous vide dimensionnée pour réduire le bruit Brownien dans l'appareil.
14. 14. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que le au moins un hydrophone comprend un capteur et une structure de support, le capteur étant configuré pour recevoir un signal acoustique, et la structure de support comprenant une première couche diélectrique.
15. 15. Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce que la structure de support comprend : la première couche diélectrique située sur un substrat ; une couche de silicium située sur la première couche diélectrique ; et une deuxième couche diélectrique située sur la couche de silicium, la deuxième couche diélectrique étant en contact avec le capteur.
16. 16. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que la cavité scellée sous vide est délimitée par le substrat et une couche diélectrique.
17. 17. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que la cavité scellée sous vide est complètement délimitée par le substrat.
18. 18. Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que la pluralité d'hydrophones (510) est disposée dans une grille (500) ayant une pluralité de lignes et une pluralité de colonnes, la pluralité d'hydrophones générant une charge accumulée suffisante pour être détectée par un préamplificateur.
19. 19. Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'une épaisseur de la structure de support est plus grande qu'une épaisseur du capteur de 4 pm ou plus.
20. 20. Appareil selon la revendication 14, caractérisé en ce que le capteur comprend une première couche d'électrode en contact avec la structure de support, une couche piézoélectrique en contact avec la première couched'électrode, et une deuxième couche d'électrode en contact avec la couche piézoélectrique.
21. 21. Appareil selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'une surface de la deuxième couche d'électrode fait 70 à 90 pour cent d'une surface de la couche piézoélectrique.