WO2011004113A1 - Dispositif de mesure de pression et son procédé de fabrication - Google Patents

Dispositif de mesure de pression et son procédé de fabrication Download PDF

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WO2011004113A1
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fixed electrode
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Jacques Leclerc
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Tronic's Microsystems
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G—PHYSICS
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    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0073—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a semiconductive diaphragm

Definitions

  • the invention relates to the field of MEMS (acronym for
  • Microelectromechanical System in English, or more particularly capacitive type pressure sensors or pressure measuring devices by varying the capacitive effect between two electrodes, and their manufacturing process.
  • a capacitive-type pressure sensor comprises a flexible membrane and a fixed membrane, separated from each other by a cavity in which there is a reference pressure, for example a vacuum.
  • the flexible membrane forms or supports a deformable sensitive electrode
  • the fixed membrane forms or supports a fixed electrode.
  • the flexible membrane deforms either towards the fixed membrane or away from the fixed membrane. This variation in the distance between these two membranes results in a variation of the capacitance between these two electrodes, and the measurement of this capacitance variation makes it possible to determine the pressure difference, and therefore the pressure to be measured.
  • the sensor described above is particularly intended to be implemented in an industrial or biological environment.
  • the assembly formed by the sensitive and fixed electrodes is embedded in a protective casing guaranteeing operation of the electrodes. in a non-aggressive atmosphere.
  • This case is generally made of a metal material suitable for the environment, such as titanium for biocompatible applications or stainless steel for industrial applications.
  • the pressure to be measured is transmitted from the housing to the sensitive electrode via a transmission interface generally consisting of oil degassed beforehand.
  • the present invention aims to provide a pressure sensor free of at least one of the limitations mentioned above.
  • An object of the invention is in particular to provide a less expensive industrial or biocompatible pressure sensor.
  • Another object of the invention is to eliminate any risk of leakage of the degassed oil.
  • the invention thus relates to a device for measuring pressure by capacitive effect between two electrodes comprising at least one sensitive electrode disposed opposite and at a distance from a fixed electrode so as to define a cavity in which there is a reference pressure.
  • the device according to the invention further comprises a housing intended to isolate at least the fixed electrode from the ambient environment in which the pressure to be measured prevails, said housing having at least one solid portion forming a housing intended to contain at least one fixed electrode, and a thinned portion forming the sensitive electrode.
  • the sensitive electrode and the housing form a body (or housing) protection for isolating the fixed electrode from the ambient environment.
  • the sensitive electrode is no longer it is inside a protective casing, but it is an integral part of the casing and is therefore in direct contact with the surrounding environment.
  • the capacitance variation representative of a pressure difference between the pressure to be measured and the reference pressure, is measured between the fixed electrode and the sensitive electrode.
  • the transmission member present in the pressure sensors of the prior art is no longer necessary.
  • the housing is made of a metallic material.
  • the housing may be made of a material adapted to the ambient environment, for example of the biocompatible type, such as titanium, or type resistant to stress or aggression in an industrial environment, such as stainless steel.
  • the device further comprises a grid or a pierced wall for protecting the sensitive electrode.
  • the perforated grid or wall makes it possible in particular to protect the sensitive electrode from certain undesirable effects such as shocks with objects having contending contours liable to damage the surface of the sensitive electrode, while allowing the surrounding environment to be in contact with each other. with the sensitive electrode.
  • the protective housing further has an intermediate portion forming a junction between the sensitive electrode and the housing, and having a profile capable of mechanically decoupling the structural variations of the sensitive electrode from those of the housing.
  • this junction acts as a means of mechanical decoupling and limits the undesirable effects due in particular to variations in the structure of the housing, such as thermal expansion, on the structure of the sensitive electrode.
  • the profile of the junction has a decreasing thickness in the direction of the sensitive electrode.
  • the profile of the junction has a thinned portion arranged head to tail with the thinned portion forming the sensitive electrode.
  • a sealing frame frames the fixed electrode and is arranged at a distance from the fixed electrode so as to define a gap accommodating a connecting frame, said connecting frame providing a mechanical connection and a mechanical decoupling between the fixed electrode. and the sealing frame.
  • the connecting frame serves as a means of mechanical decoupling between the fixed electrode and the sealing frame, and in particular makes it possible to greatly reduce or even eliminate all the constraints on the fixed electrode, related to variations in the structure of the sealing frame, for example thermal expansion.
  • the connecting frame frames the fixed electrode and has at least one protrusion secured to the sealing frame, and another projection secured to the fixed electrode.
  • the connecting frame may be disposed at a distance from the fixed electrode and the sealing frame, and may have at least one projection integral with the sealing frame and another projection integral with the fixed electrode.
  • the connecting frame may have two projections disposed opposite one another and secured to the fixed electrode, and two other projections arranged opposite one another and secured to the sealing frame.
  • the fixed electrode, the connecting frame and the sealing frame form a body having a planar structure disposed in the housing.
  • the device may further comprise a reference electrode insensitive to pressure variations.
  • the subject of the invention is also a method for manufacturing at least one pressure measuring device as defined above, comprising at least the steps of:
  • the method further comprises an embodiment of an intermediate portion forming a junction between the solid portion and the thinned portion, and whose profile has a decreasing thickness in the direction of the sensitive electrode.
  • the method further comprises at least one embodiment of an intermediate portion forming a junction between the solid portion and the thinned portion, and whose profile has a thinned portion arranged head-to-tail with the thin portion forming a sensitive electrode .
  • the substrate consists of a dielectric layer interposed between two semiconductor layers, and the embodiment of the fixed electrode comprises at least steps of:
  • the coefficient of expansion of the material in which the sensitive electrode is made may be 4 to 6 times higher than that of the material in which the electrode is made.
  • fixed for example silicon (coefficient of expansion of silicon is of the order of 2.6.10 ⁇ 6 / ° C).
  • the seal further comprises steps of:
  • the manufacturing method described above applies to an individualized manufacture of pressure measuring device, but also to a collective manufacturing, that is to say a manufacture of several pressure measuring devices presented above.
  • a method of manufacturing a plurality of pressure measuring devices as defined above comprises at least the following steps:
  • each elementary module comprising at least one of said cavities
  • the method further comprises, for each sensitive electrode, an embodiment of an intermediate portion on said plate, intended to form a junction between the housing and the sensitive electrode, and whose profile has a decreasing thickness in the direction of the sensitive electrode.
  • the method further comprises at least, for each sensitive electrode, an embodiment of an intermediate portion on said plate, intended to form a junction between the housing and the sensitive electrode, and whose profile has a thinned portion arranged head to tail with the thin portion forming a sensitive electrode.
  • the substrate consists of a dielectric layer interposed between two semiconductor layers, and the embodiment of the fixed electrode comprises at least steps of:
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a capacitive pressure sensor according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a capacitive pressure sensor according to another embodiment
  • FIG. 3 is a schematic perspective view of the substrate in which the fixed electrode is made according to one embodiment of the invention.
  • FIGS. 4 to 14 show some steps of the manufacturing method of the pressure sensor according to one embodiment of the invention
  • FIGS. 15 to 17 show some steps of the method of collective manufacturing of several pressure sensors according to one embodiment of the invention.
  • the pressure measuring device comprises a protective casing 1 (only a portion of which has been represented in the figures) which can be made of a metallic material compatible with the ambient environment in which the pressure to be measured P, such as titanium or stainless steel for example.
  • This housing 1 has a solid portion forming a housing 10 for receiving a fixed electrode 211, a thinned portion forming a sensitive electrode 11, and an intermediate portion forming a junction 12 between the sensitive electrode 11 and the housing 10.
  • the sensitive electrode 11 is therefore directly realized in the material in which the housing 1 of protection is made, and is therefore directly in contact with the ambient environment.
  • the housing 10, the sensitive electrode 11 and the junction 12 thus form a structure capable of protecting the fixed electrode 211 from the attacks of the ambient environment.
  • a grid 6 or pierced protection wall may be arranged opposite the sensitive electrode 11 to limit undesirable effects, such as shocks with objects having contending contours that may deteriorate the surface of the sensitive electrode 11.
  • the junction 12 may have a profile making it possible to mechanically decouple the structural variations of the sensitive electrode 11 of those of the housing 10.
  • the profile of this junction 12 may have a thickness e decreasing in the direction of the sensitive electrode 11, as shown in Figure 1.
  • the profile of the junction 12 may also have a thinned portion 120 disposed head-bêche with the thinned portion forming the sensitive electrode 11, as illustrated
  • the housing 10 contains a substrate 2, for example of the SOI type (acronym for "silicon on insulator”), consisting of a dielectric layer 20, for example oxide, interposed between two semiconductor layers 21, 22, for example silicon.
  • a substrate 2 for example of the SOI type (acronym for "silicon on insulator"), consisting of a dielectric layer 20, for example oxide, interposed between two semiconductor layers 21, 22, for example silicon.
  • the fixed electrode 211 In one of the two silicon layers 21 are made the fixed electrode 211, a sealing frame 210 and a connecting frame 212 connecting the fixed electrode 211 to the sealing frame 210.
  • the sealing frame 210 surrounds the fixed electrode 211 and is arranged at a distance from the fixed electrode 211 so as to delimit a gap 213 accommodating the connecting frame 212, as illustrated in FIG.
  • the connecting frame 212 is made in such a way as to have a profile making it possible to mechanically decouple the structural variations of the fixed electrode 211 from those of the sealing frame 210.
  • the connecting frame 212 surrounds the fixed electrode 211, and is disposed at a distance from the fixed electrode 211 and sealing frame 210.
  • the connecting frame has two projections 212a, 212b disposed facing one another and secured to the fixed electrode 211, and two further projections 212c, 212d disposed facing one of the and other secured to the sealing frame 210.
  • This profile has the particular advantage of securing the fixed electrode 211 to the sealing frame 210, while limiting the thermal stresses to the sealing frame 210 on the fixed electrode 211.
  • the fixed electrode 211, the connecting frame 212 and the sealing frame 211 thus form a body having a flat structure.
  • the substrate 2 is secured to the housing 1 by means of a sealing gasket 3, so as to dispose the sensitive electrode 11 opposite and away from the fixed electrode 211, to delimit a cavity 4 whose depth is defined by the thickness of said sealing joint 3.
  • the cavity 4 is under a reference pressure P ref , for example a vacuum, and the variation in capacity, representative of a pressure difference between the pressure to be measured and the reference pressure, is measured between sensitive electrode 11 and the fixed electrode 211.
  • P ref for example a vacuum
  • a reference electrode 51 by means of another dielectric layer 50, for example oxide, to produce a reference capacity 5 insensitive to any variation in pressure. It is also possible to have on this same free face 220 electrical contact zones as well as means for processing the sensor signals.
  • the method of manufacturing such a pressure sensor according to an embodiment comprises in particular:
  • FIG. 14 An embodiment of the protective case (FIG. 14).
  • the embodiment of the fixed electrode 211 consists in particular in performing an etching (FIGS. 4 and 5) on one of the two semiconductor layers 21 of the wafer so as to form the fixed electrode 211, the connecting frame 212 and the sealing frame 210 as defined above.
  • the fixed electrode 211 is released by elimination (FIG. 6) of a portion of the dielectric layer 20 facing the fixed electrode 211, the connecting frame 212 and a portion of the sealing frame 210.
  • FIG. 7 access through the other semiconductor layer 22 and the dielectric layer 20 in anticipation of an electrical contact 7 for the fixed electrode 211. It is it is also possible to realize the reference capacitor 5 (FIG.
  • a material compatible with the ambient environment for example titanium or stainless steel, is shaped to provide the housing 210, the sensitive electrode 211 and the junction 212 as defined above, and thus to form the protective housing 1 (FIG. 9).
  • the protection of the sensitive electrode 11, such as grid or pierced wall disposed opposite the sensitive electrode can also be performed at this stage.
  • the realization of the sealing joint 3 can notably consist in:
  • a first metal layer 33 for example of the gold type, on a portion of the housing 1 designed to face the sealing frame 21 (FIG. 12);
  • thermo-compression sealing (FIG. 13) of the first and second metallic layers 33, 32, under reference pressure P ref , so that the sensitive electrode 11 is opposite and at a distance from the fixed electrode 211 to delimit the cavity 4 whose depth is defined by the thickness of the seal 3 made.
  • P ref reference pressure
  • other types of sealing at lower temperatures are possible.
  • a direct titanium seal on silicon oxide can be advantageously used as a replacement for thermocompression.
  • a housing 10 is then welded to the plate to form the housing 1 of protection ( Figure 14) in which is disposed the fixed electrode 211 which is thus isolated from the ambient environment.
  • the manufacturing process described above is also applicable to a collective fabrication (FIGS. 15 to 17) of several pressure measuring devices, which may comprise the production of a structure 8 of several elementary modules 8a, 8b, each elementary module. 8a, 8b including a cavity 4a, 4b delimited by a sensitive electrode 11a, 11b, a fixed electrode 211a, 211b and a seal 3a, 3b whose thickness defines the depth of the cavity 4a, 4b.
  • the structure 8 can be made from a plate of material compatible with the ambient environment and a substrate as defined above.
  • the plate is shaped (FIG.
  • the substrate is also etched (FIG. 15) according to the principle for producing a fixed electrode exposed above, to obtain several sealing frames 210a, 210b, connecting frames 212a, 212b and fixed electrodes 211a, 211b.
  • the plate is sealed (FIG. 16) to the substrate by the interposition of several sealing joints 3a, 3b in order to make several cavities 4a, 4b as defined above and thus to obtain a plurality of elementary modules 8a, 8b.
  • the structure is then cut to separate the elementary modules 8a, 8b between them.
  • a protective housing for each elementary module 8a, 8b, there is provided a protective housing (FIG.
  • the pressure sensor of the invention is free of transmission interface, including degassed oil, and can in particular be implemented for applications requiring inexpensive biocompatible pressure sensors.
  • the pressure sensor of the invention can in particular be easily integrated into a catheter, but can also be implemented for industrial applications and in particular those of the aeronautics.

Abstract

Dispositif de mesure de pression par effet capacitif entre deux électrodes comprenant au moins une électrode sensible (11) disposée en regard et à distance d'une électrode fixe (211) de manière à délimiter une cavité (4) dans laquelle règne une pression de référence (Pref). Le dispositif selon l'invention comprend en outre un boîtier (1) de protection destiné à isoler au moins l'électrode fixe de l'environnement ambiant dans lequel règne la pression à mesurer (P), ledit boîtier (1) présentant au moins une partie massive formant logement (10) destiné à contenir au moins l'électrode fixe (211), et une partie amincie formant l'électrode sensible (11).

Description

DISPOSITIF DE MESURE DE PRESSION ET SON PROCEDE DE
FABRICATION
Domaine technique
L'invention se rapporte au domaine des MEMS (acronyme pour
« microelectromechanical System » en anglais, ou « microsystème microélectromécanique » en français), et plus particulièrement des capteurs de pression de type capacitif ou dispositifs de mesure de pression par variation de l'effet capacitif entre deux électrodes, ainsi que leur procédé de fabrication.
Etat de la technique antérieure De manière générale, un capteur de pression de type capacitif comprend une membrane souple et une membrane fixe, séparées entre elles par une cavité dans laquelle règne une pression de référence, par exemple un vide. La membrane souple forme ou supporte une électrode sensible déformable, et la membrane fixe forme ou supporte une électrode fixe. Sous l'effet d'une différence de pression entre une pression à mesurer et la pression de référence, la membrane souple se déforme soit en direction de la membrane fixe, soit en s 'éloignant de la membrane fixe. Cette variation de la distance entre ces deux membranes se traduit par une variation de la capacité entre ces deux électrodes, et la mesure de cette variation de capacité permet de déterminer la différence de pression, et donc la pression à mesurer.
Le capteur décrit ci-dessus est notamment destiné à être mis en œuvre dans un environnement industriel ou biologique. Afin de protéger les électrodes sensible et fixe, généralement réalisées en silicium, des éventuelles agressions en provenance du milieu ambiant (industriel ou biologique), l'ensemble formé par les électrodes sensible et fixe est encastré dans un boîtier de protection garantissant un fonctionnement des électrodes dans une ambiance non agressive. Ce boîtier est généralement réalisé dans un matériau métallique approprié au milieu ambiant, tel que du titane pour des applications biocompatibles ou de l'acier inoxydable pour des applications industrielles. La pression à mesurer est transmise du boîtier à l'électrode sensible par l'intermédiaire d'une interface de transmission généralement constituée d'huile préalablement dégazée.
L'obligation de ne pas introduire de bulle gazeuse dans l'interface de transmission lors du remplissage et de la fermeture du boîtier, rend le processus de fabrication de ce type de capteur particulièrement difficile et coûteux. En outre, une fuite de l'huile dégazée peut altérer la précision des mesures, mais peut également s'avérer dangereuse lors des applications en environnement biologique.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un capteur de pression exempt de l'une au moins des limitations précédemment évoquées. Un objectif de l'invention est notamment de proposer un capteur de pression industriel ou biocompatible moins coûteux. Un autre objectif de l'invention est de supprimer tout risque de fuite de l'huile dégazée.
Exposé de l'invention
L'invention a ainsi pour objet un dispositif de mesure de pression par effet capacitif entre deux électrodes comprenant au moins une électrode sensible disposée en regard et à distance d'une électrode fixe de manière à délimiter une cavité dans laquelle règne une pression de référence.
Le dispositif selon l'invention comprend en outre un boîtier destiné à isoler au moins l'électrode fixe de l'environnement ambiant dans lequel règne la pression à mesurer, ledit boîtier présentant au moins une partie massive formant logement destiné à contenir au moins l'électrode fixe, et une partie amincie formant l'électrode sensible. En d'autres termes, l'électrode sensible et le logement forment un corps (ou boîtier) de protection permettant d'isoler l'électrode fixe de l'environnement ambiant. Ainsi, contrairement à l'art antérieur, l'électrode sensible n'est plus disposée à l'intérieur d'un boîtier de protection, mais elle fait partie intégrante du boîtier de protection, et est donc en contact direct avec l'environnement ambiant. La variation de capacité, représentative d'une différence de pression entre la pression à mesurer et la pression de référence, est mesurée entre l'électrode fixe et l'électrode sensible. Dans cette solution, l'organe de transmission présente dans les capteurs de pression de l'art antérieur n'est donc plus nécessaire.
Avantageusement, le boîtier est réalisé dans un matériau métallique. Par exemple, le boîtier peut être réalisé dans un matériau adapté à l'environnement ambiant, par exemple de type biocompatible, tel que le titane, ou de type résistant aux contraintes ou agressions en milieu industriel, tel que acier inoxydable. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre une grille ou une paroi percée, de protection de l'électrode sensible.
La grille ou paroi percée permet notamment de protéger l'électrode sensible de certains effets indésirables tels que des chocs avec des objets présentant des contours contendants susceptibles de détériorer la surface de l'électrode sensible, tout en permettant au milieu ambiant d'être en contact avec l'électrode sensible.
De préférence, le boîtier de protection présente en outre une partie intermédiaire formant jonction entre l'électrode sensible et le logement, et présentant un profil apte à découpler mécaniquement les variations structurelles de l'électrode sensible de celles du logement.
En d'autres termes, cette jonction fait office de moyen de découplage mécanique et permet de limiter les effets indésirables dus notamment à des variations de la structure du logement, telles que dilatation thermique, sur la structure de l'électrode sensible. Selon un mode de réalisation, le profil de la jonction présente une épaisseur décroissante en direction de l'électrode sensible.
Selon un autre mode de réalisation, le profil de la jonction présente une portion amincie disposée tête-bêche avec la partie amincie formant l'électrode sensible.
De tels profils permettent de limiter les sollicitations de l'électrode sensible, telles que dilatation due à la variation de la température ambiante par exemple, et évitent ainsi une dégradation de la mesure.
Avantageusement, un cadre de scellement encadre l'électrode fixe et est disposé à distance de l'électrode fixe de manière à délimiter un interstice accueillant un cadre de liaison, ledit cadre de liaison assurant une liaison mécanique et un découplage mécanique entre l'électrode fixe et le cadre de scellement.
En d'autres termes, le cadre de liaison fait office de moyen de découplage mécanique entre l'électrode fixe et le cadre de scellement, et permet notamment de fortement réduire, voire de supprimer toutes les contraintes sur l'électrode fixe, liées à des variations de la structure du cadre de scellement, par exemple une dilatation thermique.
Avantageusement, le cadre de liaison encadre l'électrode fixe et présente au moins une saillie solidarisée au cadre de scellement, et une autre saillie solidarisée à l'électrode fixe.
Ainsi, le cadre de liaison peut être disposé à distance de l'électrode fixe et du cadre de scellement, et peut présenter au moins une saillie solidaire du cadre de scellement et une autre saillie solidaire de l'électrode fixe. Par exemple, le cadre de liaison peut présenter deux saillies disposées en regard l'une de l'autre et solidarisées à l'électrode fixe, et deux autres saillies disposées en regard l'une de l'autre et solidarisées au cadre de scellement.
De préférence, l'électrode fixe, le cadre de liaison et le cadre de scellement forment un corps présentant une structure plane disposée dans le logement.
Le dispositif peut en outre comprendre une électrode de référence insensible aux variations de pression. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'au moins un dispositif de mesure de pression tel que défini ci-dessus, comprenant au moins les étapes de :
- réalisation d'au moins une électrode fixe par gravure dans un substrat ;
- réalisation d'au moins une partie amincie formant électrode sensible, sur une plaque en matériau compatible avec l'environnement ambiant dans lequel règne la pression à mesurer ;
- scellement, sous pression de référence, de ladite plaque sur ledit substrat par interposition d'au moins un joint de scellement, l'électrode sensible étant disposée en regard et à distance de l'électrode fixe de manière à délimiter une cavité dont la profondeur est définie par l'épaisseur dudit joint de scellement ;
- un scellement d'une pièce en matériau compatible avec l'environnement ambiant formant logement, avec la plaque, pour former un boîtier de protection destiné à isoler au moins l'électrode fixe de l'environnement ambiant, ledit boîtier présentant au moins une partie massive formant ledit logement, et une partie amincie formant ladite électrode sensible.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre une réalisation d'une partie intermédiaire formant jonction entre la partie massive et la partie amincie, et dont le profil présente une épaisseur décroissante en direction de l'électrode sensible. Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend en outre au moins une réalisation d'une partie intermédiaire formant jonction entre la partie massive et la partie amincie, et dont le profil présente une portion amincie disposée tête bêche avec la partie amincie formant électrode sensible.
Avantageusement, le substrat est constitué d'une couche diélectrique interposée entre deux couches de semi-conducteur, et la réalisation de l'électrode fixe comprend au moins des étapes de :
- gravure dans une des deux couches de semi-conducteur pour réaliser au moins un cadre de scellement, un cadre de liaison et l'électrode fixe, le cadre de scellement encadrant l'électrode fixe et étant à distance de l'électrode fixe de manière à délimiter un interstice accueillant le cadre de liaison, ledit cadre de liaison encadrant l'électrode fixe et présentant au moins une saillie solidarisée au cadre de scellement et une autre saillie solidarisée à l'électrode fixe ; et
- élimination d'une portion de la couche diélectrique en regard de l'électrode fixe, du cadre de liaison et d'une partie du cadre de scellement.
En outre, le coefficient de dilatation du matériau dans lequel est réalisée l'électrode sensible, par exemple du titane ou de l'acier inoxydable peut être plus élevé d'un facteur 4 à 6 que celui du matériau dans lequel est réalisée l'électrode fixe, par exemple du silicium (coefficient de dilatation du silicium est de l'ordre de 2,6.10~6/°C). L'adhérence par thermo-compression du boîtier avec le cadre de scellement s'avère difficile. Par conséquent, la réalisation d'un joint spécifique est alors nécessaire pour prendre en compte de cette différence de dilatation, et assurer l'adhérence du cadre de scellement avec le boîtier.
De préférence, le scellement comprend en outre des étapes de :
- réalisation d'une première couche métallique sur une portion interne de la partie massive destinée à être en regard du cadre de scellement ;
- réalisation d'une deuxième couche métallique sur une portion du cadre de scellement ; et - scellement par thermo-compression des première et deuxième couches métalliques.
Le procédé de fabrication décrit ci-dessus s'applique à une fabrication individualisée de dispositif de mesure de pression, mais également à une fabrication collective, c'est-à-dire une fabrication de plusieurs dispositifs de mesure de pression présentés ci-dessus.
Par exemple, un procédé de fabrication d'une pluralité de dispositifs de mesure de pression tels que définis ci-dessus comprend au moins les étapes suivantes :
- réalisation d'une pluralité d'électrodes fixes par gravure d'un substrat ;
- réalisation d'une pluralité de parties amincies formant électrodes sensibles sur une plaque en matériau compatible avec l'environnement ambiant dans lequel règne la pression à mesurer ;
- un scellement, sous pression de référence, de ladite plaque sur ledit substrat par interposition d'une pluralité de joints de scellement de manière à former une pluralité de cavités, chacune des cavités étant délimitée par une desdites électrodes sensibles disposée en regard et à distance d'une desdites électrodes fixes, et ayant une profondeur définie par l'épaisseur du joint de scellement associé ;
- une formation d'une pluralité de modules élémentaires par découpe entre deux joints de scellement adjacents, chaque module élémentaire comprenant au moins une desdites cavités ;
- pour chaque module élémentaire, un scellement avec un logement en matériau compatible avec l'environnement ambiant, pour former un boîtier de protection destiné à isoler au moins l'électrode fixe dudit module élémentaire de l'environnement ambiant, ledit boîtier présentant au moins une partie massive formant logement et une partie amincie formant électrode sensible. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend en outre, pour chaque électrode sensible, une réalisation d'une partie intermédiaire sur ladite plaque, destinée à former jonction entre le logement et l'électrode sensible, et dont le profil présente une épaisseur décroissante en direction de l'électrode sensible.
Selon un autre mode de réalisation, le procédé comprend en outre au moins, pour chaque électrode sensible, une réalisation d'une parties intermédiaire sur ladite plaque, destinée à former jonction entre le logement et l'électrode sensible, et dont le profil présente une portion amincie disposée tête bêche avec la partie amincie formant électrode sensible. Avantageusement, le substrat est constitué d'une couche diélectrique interposée entre deux couches de semi-conducteur, et la réalisation de l'électrode fixe comprend au moins des étapes de :
- gravure dans une des deux couches de semi-conducteur pour réaliser, pour chacune des électrodes fixes, un cadre de scellement encadrant à distance l'électrode fixe de manière à délimiter un interstice accueillant un cadre de liaison présentant au moins une saillie solidarisée au cadre de scellement et une autre saillie solidarisée à l'électrode fixe ; et
- élimination des portions de la couche diélectrique en regard au moins des électrodes fixes et des cadres de liaison.
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 :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un capteur de pression capacitif selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un capteur de pression capacitif selon un autre mode de réalisation ;
- la figure 3 est une vue schématique en perspective du substrat dans lequel est réalisé l'électrode fixe selon un mode de réalisation de l'invention ;
- les figures 4 à 14 présentent quelques étapes du procédé de fabrication du capteur de pression selon un mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 15 à 17 présentent quelques étapes du procédé de fabrication collective de plusieurs capteurs de pression selon un mode de réalisation de l'invention. Exposé détaillé d'un mode de réalisation particulier
En référence aux figures 1 et 2, le dispositif de mesure de pression comprend un boîtier 1 de protection (dont seulement une partie a été représentée sur les figures) qui peut être réalisé dans un matériau métallique compatible avec l'environnement ambiant dans lequel règne la pression à mesurer P, tel que titane ou acier inoxydable par exemple. Ce boîtier 1 présente une partie massive formant logement 10 destiné à recevoir une électrode fixe 211, une partie amincie formant électrode sensible 11, et une partie intermédiaire formant jonction 12 entre l'électrode sensible 11 et le logement 10. L'électrode sensible 11 est donc directement réalisée dans le matériau dans lequel est réalisé le boîtier 1 de protection, et est donc directement en contact avec l'environnement ambiant. Le logement 10, l'électrode sensible 11 et la jonction 12 forment ainsi une structure apte à protéger l'électrode fixe 211 des agressions de l'environnement ambiant.
En outre, comme illustré sur la figure 2, une grille 6 ou paroi percée de protection peut être disposée en regard de l'électrode sensible 11 pour limiter les effets indésirables, tels que des chocs avec des objets présentant des contours contendants susceptibles de détériorer la surface de l'électrode sensible 11.
Afin d'isoler l'électrode sensible 11 des éventuelles variations structurelles du logement 10, par exemple une dilatation thermique due à un procédé de scellement qui peut entraîner d'importantes variations de température, la jonction 12 peut présenter un profil permettant de découpler mécaniquement les variations structurelles de l'électrode sensible 11 de celles du logement 10. Par exemple, le profil de cette jonction 12 peut présenter une épaisseur e décroissante dans la direction de l'électrode sensible 11, comme illustré sur la figure 1. Le profil de la jonction 12 peut également présenter une portion amincie 120 disposée tête -bêche avec la partie amincie formant l'électrode sensible 11, comme illustré sur la figure 2. Ces exemples de profil permettent notamment de limiter les contraintes thermiques subies par le logement 10 sur l'électrode sensible 11.
Le logement 10 contient un substrat 2, par exemple de type SOI (acronyme anglo-saxon pour « silicon on insulator »), constitué d'une couche de diélectrique 20, par exemple de l'oxyde, interposée entre deux couches de semiconducteur 21, 22, par exemple du silicium. Dans une des deux couches de silicium 21 sont réalisés l'électrode fixe 211, un cadre de scellement 210 et un cadre de liaison 212 reliant l'électrode fixe 211 au cadre de scellement 210. Le cadre de scellement 210 encadre l'électrode fixe 211 et est disposé à distance de l'électrode fixe 211 de manière à délimiter un interstice 213 accueillant le cadre de liaison 212, comme illustré sur la figure 3.
De même, afin d'isoler l'électrode fixe 211 des éventuelles variations structurelles du cadre de scellement 210, notamment une dilatation thermique due au procédé de scellement, le cadre de liaison 212 est réalisé de manière à présenter un profil permettant de découpler mécaniquement les variations structurelles de l'électrode fixe 211 de celles du cadre de scellement 210. Par exemple, comme illustré sur la figure 3, le cadre de liaison 212 encadre l'électrode fixe 211, et est disposé à distance de l'électrode fixe 211 et du cadre de scellement 210. Le cadre de liaison présente deux saillies 212a, 212b disposées en regard l'une de l'autre et solidarisées à l'électrode fixe 211, et deux autres saillies 212c, 212d disposées en regard l'une de l'autre et solidarisées au cadre de scellement 210. Ce profil a notamment l'avantage de solidariser l'électrode fixe 211 au cadre de scellement 210, tout en limitant les contraintes thermiques subies par le cadre de scellement 210 sur l'électrode fixe 211. L'électrode fixe 211, le cadre de liaison 212 et le cadre de scellement 211 forment ainsi un corps présentant une structure plane. Le substrat 2 est solidarisé au boîtier 1 à l'aide d'un joint de scellement 3, de sorte à disposer l'électrode sensible 11 en regard et à distance de l'électrode fixe 211, pour délimiter une cavité 4 dont la profondeur est définie par l'épaisseur dudit joint de scellement 3. La cavité 4 est sous pression de référence Pref, par exemple du vide, et la variation de capacité, représentative d'une différence de pression entre la pression à mesurer et la pression de référence, est mesurée entre l'électrode sensible 11 et l'électrode fixe 211. L'électrode sensible 11 étant directement en contact avec l'environnement ambiant, aucun organe de transmission n'est donc nécessaire, contrairement à l'art antérieur.
Sur la face libre 220 de l'autre couche de semi-conducteur 22, il est également possible de disposer une électrode de référence 51 par l'intermédiaire d'une autre couche de diélectrique 50, par exemple de l'oxyde, pour réaliser une capacité de référence 5 insensible à toute variation de pression. Il est également possible de disposer sur cette même face libre 220 des zones de contact électriques ainsi que des moyens de traitement des signaux du capteur. Le procédé de fabrication d'un tel capteur de pression selon un mode de réalisation comprend notamment :
- une réalisation de l'électrode fixe 211 (figures 4 à 6) ;
- une réalisation de la capacité de référence 5 et des moyens de connexion (figures 7 et 8) ;
- une réalisation de l'électrode sensible 11 (figure 9) ;
- une réalisation du joint de scellement (figures 10 à 13) ; et
- une réalisation du boîtier de protection (figure 14).
La réalisation de l'électrode fixe 211 consiste notamment à réaliser une gravure (figures 4 et 5) sur l'une des deux couches de semi-conducteur 21 du wafer de manière à former l'électrode fixe 211, le cadre de liaison 212 et le cadre de scellement 210 tels que définis précédemment. L'électrode fixe 211 est libérée par élimination (figure 6) d'une portion de la couche diélectrique 20 se trouvant en regard de l'électrode fixe 211, du cadre de liaison 212 et d'une partie du cadre de scellement 210. A ce stade du procédé, il est possible de prévoir (figure 7) un accès à travers l'autre couche de semi-conducteur 22 et la couche diélectrique 20 en prévision d'un contact électrique 7 pour l'électrode fixe 211. Il est également possible de réaliser la capacité de référence 5 (figure 8) en disposant ladite autre couche de diélectrique 50 sur une partie de la surface libre 220 de ladite autre couche de semi-conducteur 22, puis en disposant une électrode de référence 51 sur ladite autre couche de diélectrique 50, de manière que l'électrode de référence 51 reste insensible à toute variation de pression. Un matériau compatible avec l'environnement ambiant, par exemple titane ou acier inoxydable, est façonné pour réaliser le logement 210, l'électrode sensible 211 et la jonction 212 tels que définis précédemment, et former ainsi le boîtier 1 de protection (figure 9). En outre, la protection de l'électrode sensible 11, telle que grille ou paroi percée disposée en regard de l'électrode sensible, peut également être réalisée à ce stade.
Du fait d'une différence importante entre les coefficients de dilatation du silicium et du titane ou de l'acier inoxydable, la réalisation du joint de scellement 3 (figures 10 à 13) peut notamment consister à :
- déposer une couche intermédiaire d'oxyde 30 sur une portion du cadre de scellement 210 (figure 10) ;
- déposer une première couche métallique 33, par exemple de type or, sur une partie du boîtier 1 destiné à être en regard du cadre de scellement 21 (figure 12) ;
- déposer une couche intermédiaire métallique 31 de type titane (figure 1 Ib) sur la couche intermédiaire d'oxyde 30, puis une deuxième couche métallique 32 de type or sur ladite couche intermédiaire métallique 31 ; ou à déposer directement la deuxième couche métallique 32 (figure l ia) sur ladite couche intermédiaire d'oxyde 30 ; et
- scellement par thermo-compression (figure 13) des première et deuxième couches métalliques 33, 32, sous pression de référence Pref, de sorte que l'électrode sensible 11 se trouve en regard et à distance de l'électrode fixe 211 de manière à délimiter la cavité 4 dont la profondeur est définie par l'épaisseur du joint de scellement 3 réalisé. Bien entendu, d'autres types de scellement à plus basse température sont envisageables. Toutefois, dans le cas particulier du titane, un scellement direct titane sur oxyde de silicium peut être avantageusement utilisé en remplacement de la thermo-compression.
Un logement 10 est ensuite soudé à la plaque pour former le boîtier 1 de protection (figure 14) dans lequel est disposée l'électrode fixe 211 qui se trouve ainsi isolée de l'environnement ambiant. Le procédé de fabrication exposé ci-dessus est également applicable à une fabrication collective (figures 15 à 17) de plusieurs dispositifs de mesure de pression, qui peut comprendre la réalisation d'une structure 8 de plusieurs modules élémentaires 8a, 8b, chaque module élémentaire 8a, 8b comprenant notamment une cavité 4a, 4b délimitée par une électrode sensible lia, 11b, une électrode fixe 211a, 211b et un joint de scellement 3a, 3b dont l'épaisseur définie la profondeur de la cavité 4a, 4b. La structure 8 peut être réalisée à partir d'une plaque en matériau compatible avec l'environnement ambiant et d'un substrat tel que défini ci-dessus. La plaque est façonnée (figure 15) de manière à obtenir plusieurs électrodes sensible lia, 11b et plusieurs jonctions 12a, 12b tels que définies précédemment. Le substrat est également gravé (figure 15) selon le principe pour la réalisation d'une électrode fixe exposé ci-dessus, pour obtenir plusieurs cadres de scellement 210a, 210b, cadres de liaison 212a, 212b et électrodes fixes 211a, 211b. La plaque est scellée (figure 16) au substrat par interposition de plusieurs joints de scellement 3a, 3b pour réaliser plusieurs cavités 4a, 4b telles que définis précédemment et ainsi obtenir plusieurs modules élémentaires 8a, 8b. La structure est ensuite découpée pour disjoindre les modules élémentaires 8a, 8b entre eux. Enfin, pour chaque module élémentaire 8a, 8b, on réalise un boîtier de protection (figure 17) présentant une partie massive formant logement 10a, 10b, une partie intermédiaire formant jonction 12a, 12b et une partie amincie formant électrode sensible lia, 11b. On obtient ainsi une pluralité de capteurs de pression dont la particularité est de présenter une électrode sensible intégré au boîtier de protection en contact avec l'environnement ambiant. Bien entendu, pour chaque module élémentaire, il est possible de prévoir une grille de protection et une électrode de référence telles que définies précédemment.
Il ressort de ce qui précède que le capteur de pression de l'invention est exempt d'interface de transmission, notamment de l'huile dégazée, et peut notamment être mis en œuvre pour des applications nécessitant des capteurs de pression biocompatible peu coûteux. Par exemple, le capteur de pression de l'invention peut notamment être aisément intégré dans un cathéter, mais peut également être mis en œuvre pour des applications industrielles et en particulier celles de l'aéronautique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de pression par effet capacitif entre deux électrodes comprenant au moins une électrode sensible (11) disposée en regard et à distance d'une électrode fixe (211) de manière à délimiter une cavité (4) dans laquelle règne une pression de référence (Pref),
caractérisé en ce qu'il comprend en outre un boîtier (1) de protection destiné à isoler au moins l'électrode fixe de l'environnement ambiant dans lequel règne la pression à mesurer (P), ledit boîtier (1) présentant au moins une partie massive formant logement (10) destiné à contenir au moins l'électrode fixe (211), et une partie amincie formant l'électrode sensible (1 1).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le boîtier (1) est réalisé dans un matériau métallique.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une grille (6) ou paroi percée de protection de l'électrode sensible (11).
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le boîtier (1) de protection présente en outre une partie intermédiaire formant jonction (12) entre l'électrode sensible (11) et le logement (10), et présentant un profil apte à découpler mécaniquement les variations structurelles de l'électrode sensible de celles du logement.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le profil de la jonction (12) présente une épaisseur décroissante en direction de l'électrode sensible (11).
6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le profil de la jonction (12) présente une portion amincie (120) disposée tête-bêche avec la partie amincie formant l'électrode sensible (11).
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'un cadre de scellement (210) encadre l'électrode fixe (211) et est disposé à distance de l'électrode fixe (211) de manière à délimiter un interstice (213) accueillant un cadre de liaison (212), ledit cadre de liaison (212) assurant une liaison mécanique et un découplage mécanique entre l'électrode fixe (21 1) et le cadre de scellement (210).
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le cadre de liaison (212) encadre l'électrode fixe (211) et présente au moins une saillie (212c,
212d) solidarisée au cadre de scellement (210), et une autre saillie (212a, 212b) solidarisée à l'électrode fixe (211).
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une électrode de référence (51) insensible aux variations de pression.
10. Procédé de fabrication d'au moins un dispositif de mesure de pression selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins :
- une réalisation d'au moins une électrode fixe (211) par gravure dans un substrat (2) ;
- une réalisation d'au moins une partie amincie formant électrode sensible (11), sur une plaque en matériau compatible avec l'environnement ambiant dans lequel règne la pression à mesurer (P) ;
- un scellement, sous pression de référence (Pref), de ladite plaque sur ledit substrat (2) par interposition d'au moins un joint de scellement (3), l'électrode sensible (11) étant disposée en regard et à distance de l'électrode fixe (211) de manière à délimiter une cavité (4) dont la profondeur est définie par l'épaisseur dudit joint de scellement (3) ;
- un scellement avec la plaque, d'une pièce en matériau compatible avec l'environnement ambiant formant logement (10), pour former un boîtier (1) de protection destiné à isoler au moins l'électrode fixe (211) de l'environnement ambiant, ledit boîtier (1) présentant au moins une partie massive formant ledit logement (10), et une partie amincie formant ladite électrode sensible (11).
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre 5 une réalisation d'une partie intermédiaire formant jonction (12) entre la partie massive et la partie amincie, et dont le profil présente une épaisseur (e) décroissante en direction de l'électrode sensible (11).
12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre 10 une réalisation d'une partie intermédiaire formant jonction (12) entre la partie massive et la partie amincie, et dont le profil présente au moins une portion amincie (120) disposée tête bêche avec la partie amincie formant électrode sensible (11).
15 13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que le substrat (2) est constitué d'une couche diélectrique (20) interposée entre deux couches de semi-conducteur (21, 22), et en ce que la réalisation de l'électrode fixe (211) comprend au moins des étapes de :
- gravure dans une des deux couches de semi-conducteur (21) pour réaliser au 20 moins un cadre de scellement (210), un cadre de liaison (211) et l'électrode fixe (211), le cadre de scellement (210) encadrant l'électrode fixe (211) et étant à distance de l'électrode fixe (21 1) de manière à délimiter un interstice (213) accueillant le cadre de liaison (212), ledit cadre de liaison (212) encadrant l'électrode fixe (211) et présentant au moins une saillie (212c, 212d) solidarisée au 25 cadre de scellement et une autre saillie (212a, 212b) solidarisée à l'électrode fixe (211) ; et
- élimination d'une portion de la couche diélectrique (20) en regard de l'électrode fixe (211), du cadre de liaison (211) et d'une partie du cadre de scellement (210).
30 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le scellement comprend en outre des étapes de : - réalisation d'une première couche métallique (33) sur une portion interne de la partie massive formant logement (10) destinée à être en regard du cadre de scellement (210) ;
- réalisation d'une deuxième couche métallique (32) sur une portion du cadre de scellement (210) ; et
- scellement par thermo-compression des première et deuxième couches métalliques (33, 32).
15. Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins :
- une réalisation d'une pluralité d'électrodes fixes (211a, 211b), par gravure d'un substrat (2) ;
- une réalisation d'une pluralité de parties amincies formant électrodes sensibles (l ia, 1 Ib), sur une plaque en matériau compatible avec l'environnement ambiant dans lequel règne la pression à mesurer (P) ;
- un scellement, sous pression de référence (Pref), de ladite plaque sur ledit substrat par interposition d'une pluralité de joints de scellement (3a, 2b) de manière à former une pluralité de cavités (4a, 4b), chacune des cavités (4a, 4b) étant délimitée par une desdites électrodes sensibles (l ia, Hb) disposée en regard et à distance d'une desdites électrodes fixes (211a, 211b), et ayant une profondeur définie par l'épaisseur du joint de scellement (3a, 3b) associé ;
- une formation d'une pluralité de modules élémentaires (8a, 8b) par découpe entre deux joints de scellement (3a, 3b) adjacents, chaque module élémentaire (8a, 7b) comprenant au moins une desdites cavités (4a, 4b);
- pour chaque module élémentaire (8a, 8b), un scellement avec un logement (10a, 10b) en matériau compatible avec l'environnement ambiant, pour former un boîtier de protection destiné à isoler au moins l'électrode fixe (211a, 211b) dudit module élémentaire (8a, 8b) de l'environnement ambiant, ledit boîtier présentant au moins une partie massive formant logement (10a, 10b) et une partie amincie formant électrode sensible (l ia, 1 Ib).
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, pour chaque électrode sensible (l ia, Hb), une réalisation d'une partie intermédiaire sur ladite plaque, destinée à former jonction (12a, 12b) entre le logement (10a, 10b) et l'électrode sensible (l ia, Hb), et dont le profil présente une épaisseur (e) décroissante en direction de l'électrode sensible (l ia, 1 Ib).
17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, pour chaque électrode sensible (l ia, Hb), une réalisation d'une parties intermédiaire sur ladite plaque, destinée à former jonction (12a, 12b) entre le logement (10a, 10b) et l'électrode sensible (l ia, 1 Ib), et dont le profil présente au moins une portion amincie disposée tête -bêche avec la partie amincie formant électrode sensible.
18. Procédé selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que le substrat (2) est constitué d'une couche diélectrique (20) interposée entre deux couches de semi-conducteur (21, 22), et en ce que la réalisation de l'électrode fixe (21 la, 21 Ib) comprend au moins des étapes de :
- gravure dans une des deux couches de semi-conducteur (21) pour réaliser, pour chacune des électrodes fixes (211a, 211b) , un cadre de scellement (210a, 210b) encadrant à distance l'électrode fixe (211a, 21 1b) de manière à délimiter un interstice accueillant un cadre de liaison (212a, 212b) présentant au moins une saillie solidarisée au cadre de scellement et une autre saillie solidarisée à l'électrode fixe ; et
- élimination des portions de la couche diélectrique (20) en regard au moins des électrodes fixes (21 la, 21 Ib) et des cadres de liaison (212a, 212b).
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