FR2885410A1 - Physical energy e.g. force, measuring device for e.g. tire, has rigid bar connected to deformable membrane and integrated to support, where electrodes disposed on membrane and support are moved when bar is stressed by force to be measured - Google Patents
Physical energy e.g. force, measuring device for e.g. tire, has rigid bar connected to deformable membrane and integrated to support, where electrodes disposed on membrane and support are moved when bar is stressed by force to be measured Download PDFInfo
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif de mesure de force parThe present invention relates to a device for measuring force by
détection capacitive.capacitive sensing.
Elle concerne de manière générale des capteurs de force pouvant être intégrés dans tout système où l'on cherche à mesurer une force (pneumatique, manette de commande ou joystick pour jeux vidéos, ...) ou une accélération (déclenchement d'air bag dans une automobile, pacemaker, ...), une pression, un moment. It generally relates to force sensors that can be integrated into any system where it is desired to measure a force (pneumatic, joystick or joystick for video games, ...) or an acceleration (trigger air bag in an automobile, pacemaker, ...), a pressure, a moment.
La détection capacitive dans un dispositif de mesure de force est en générale réalisée grâce à un assemblage rigide de deux parties permettant de mettre en regard des électrodes formant ainsi une capacité d'impédance variable. Capacitive detection in a force measuring device is generally achieved through a rigid assembly of two parts for facing electrodes thus forming a variable impedance capacitance.
Un tel capteur est décrit par exemple dans le document US 5 392 658. Such a sensor is described for example in US 5,392,658.
Le dispositif de mesure comporte une tige rigide destinée à être sollicitée par une force ou une accélération et une tête comportant une membrane déformable destinée à être reliée à la tige de manière à être déformée lorsque la tige est sollicitée. The measuring device comprises a rigid rod intended to be stressed by a force or an acceleration and a head comprising a deformable membrane intended to be connected to the rod so as to be deformed when the rod is urged.
Des électrodes sont disposées sur cette membrane déformable. En vis-à-vis de cette membrane déformable, et à une distance qu'on appelle entrefer, se trouve une partie fixe sur laquelle sont également disposées des électrodes de telle sorte que chacune de ces électrodes soient en opposition avec une autre électrode de la membrane déformable. On réalise ainsi des capacités variables dès lors que les électrodes de la membrane déformable sont déplacées sous l'action de la force transmise par la tige. Electrodes are arranged on this deformable membrane. Opposite this deformable membrane, and at a distance called air gap, is a fixed part on which are also arranged electrodes so that each of these electrodes are in opposition with another electrode of the deformable membrane. Variable capacities are thus produced as soon as the electrodes of the deformable membrane are displaced under the action of the force transmitted by the rod.
La mesure de la variation de capacité permet de connaître la force 30 ou l'accélération grâce à une loi obtenue par étalonnage du dispositif de mesure de force. The measurement of the capacitance variation makes it possible to know the force or acceleration due to a law obtained by calibrating the force measuring device.
On se reportera avantageusement au document US 5 392 658 pour la mesure de la force appliquée en fonction de la variation mesurée aux bornes des capacités. Advantageously, reference is made to US Pat. No. 5,392,658 for measuring the force applied as a function of the variation measured across the capacitors.
Un tel capteur est cependant difficile à réaliser compte tenu des 5 difficultés rencontrées pour contrôler la valeur de l'entrefer situé entre les électrodes. Such a sensor is however difficult to achieve given the difficulties encountered in controlling the value of the air gap between the electrodes.
La présente invention a pour but de résoudre les inconvénients précités et de proposer un dispositif de mesure de force de fabrication et d'étalonnage simplifiés. The present invention aims to solve the aforementioned drawbacks and to provide a device for measuring manufacturing force and simplified calibration.
A cet effet, la présente invention vise un dispositif de mesure de force par détection capacitive comprenant au moins une première électrode disposée sur un support rigide et au moins une seconde électrode disposée sur une membrane déformable, en vis-à-vis de ladite première électrode, et une tige reliée à la membrane déformable. For this purpose, the present invention aims at a capacitive sensing force measuring device comprising at least a first electrode disposed on a rigid support and at least a second electrode disposed on a deformable membrane, vis-à-vis said first electrode , and a rod connected to the deformable membrane.
Selon l'invention, la tige est solidaire du support rigide. According to the invention, the rod is secured to the rigid support.
Ainsi, grâce à l'invention et à la présence de la tige reliant à la fois la membrane et le support rigide, les électrodes tant sur la partie déformable que sur le support rigide sont déplacées lorsque la tige est sollicitée. L'entrefer au niveau de chaque capacité est ainsi modifié uniquement par la déformation relative de la membrane par rapport au support rigide. Thus, thanks to the invention and the presence of the rod connecting both the membrane and the rigid support, the electrodes both on the deformable part and on the rigid support are moved when the rod is stressed. The air gap at each capacity is thus modified only by the relative deformation of the membrane relative to the rigid support.
En pratique, la tige s'étend entre le support rigide et la membrane déformable, et plus particulièrement entre la zone centrale de la membrane déformable et la zone centrale du support rigide. In practice, the rod extends between the rigid support and the deformable membrane, and more particularly between the central zone of the deformable membrane and the central zone of the rigid support.
De manière avantageuse, la tige comprend des moyens de passage des conducteurs électriques reliés à ladite au moins première électrode du support rigide, permettant de déplacer la connexion électrique de la ou des premières électrodes du support rigide. Avantageusement, les plots de connexion desdites première et seconde électrodes sont disposés sur une partie non déformable de la membrane. Advantageously, the rod comprises passage means of the electrical conductors connected to said at least first electrode of the rigid support, for moving the electrical connection of the first electrode or electrodes of the rigid support. Advantageously, the connection pads of said first and second electrodes are arranged on a non-deformable portion of the membrane.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Other features and advantages of the invention will become apparent in the description below.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs: -la figure 1 est une vue schématique illustrant un dispositif de mesure de force conforme à un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 dans laquelle le dispositif de mesure de force est sollicité par une force normale; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 dans laquelle le dispositif de mesure de force est sollicité par une force tangentielle - la figure 4 est une vue de dessus en coupe selon la ligne IV-IV à la figure 1; - la figure 5 est une vue de dessus du dispositif de mesure de force de la figure 1; - les figures 6, 7 et 8 illustrent différents modes de réalisation de la protection du dispositif de mesure de force à détection capacitive vis-à-vis du milieu extérieur; les figures 9A à 9P illustrent les étapes d'un procédé de 15 fabrication d'un dispositif de mesure de force conformément à un premier mode de réalisation de l'invention; - les figures 9K' à 9P' illustrent les étapes modifiées du procédé décrit en référence aux figures 9A à 9P selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; et - les figures 10A à 10M illustrent les étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif de mesure de force conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention. In the accompanying drawings, given by way of nonlimiting examples: FIG. 1 is a schematic view illustrating a force measuring device according to an embodiment of the invention; - Figure 2 is a view similar to Figure 1 wherein the force measuring device is biased by a normal force; - Figure 3 is a view similar to Figure 1 wherein the force measuring device is biased by a tangential force - Figure 4 is a top view in section along the line IV-IV in Figure 1; FIG. 5 is a view from above of the force measuring device of FIG. 1; FIGS. 6, 7 and 8 illustrate various embodiments of the protection of the capacitive detection force measuring device vis-à-vis the external medium; Figs. 9A to 9P illustrate the steps of a method of manufacturing a force measuring device according to a first embodiment of the invention; FIGS. 9K 'to 9P' illustrate the modified steps of the method described with reference to FIGS. 9A to 9P according to a second embodiment of the invention; and FIGS. 10A to 10M illustrate the steps of a method of manufacturing a force measuring device according to a third embodiment of the invention.
On va décrire tout d'abord en référence à la figure 1 un dispositif de mesure de force conforme à un mode de réalisation de l'invention. We will first describe with reference to Figure 1 a force measuring device according to one embodiment of the invention.
Le dispositif de mesure de force de l'invention est un capteur de force à détection de type capacitif. The force measuring device of the invention is a capacitive type detection force sensor.
II comporte une tige rigide 10 destinée à être sollicitée par une force à mesurer ou encore à être déplacée sous l'action d'une accélération. Cette tige 10 est fixée à une tête 11 qui comporte une membrane déformable 12 reliée à la tige 10. Dans cet exemple de réalisation, la tige 10 est reliée dans une zone centrale 13 de la membrane déformable 12. It comprises a rigid rod 10 intended to be biased by a force to be measured or to be moved under the action of an acceleration. This rod 10 is fixed to a head 11 which comprises a deformable membrane 12 connected to the rod 10. In this embodiment, the rod 10 is connected in a central zone 13 of the deformable membrane 12.
Cette membrane déformable peut être une membrane pleine ou encore être constituée de plusieurs bras radiants, s'étendant entre la zone centrale 13 et une zone périphérique 14. This deformable membrane may be a solid membrane or may consist of several radiant arms, extending between the central zone 13 and a peripheral zone 14.
Dans cette zone périphérique 14, la membrane 12 comporte des points d'ancrage permettant de conserver une position stable en périphérie de la membrane, que celle-ci soit soumise ou non à une déformation par l'intermédiaire de la tige 10. In this peripheral zone 14, the membrane 12 comprises anchoring points making it possible to maintain a stable position at the periphery of the membrane, whether or not the membrane is subjected to deformation via the rod 10.
La tige 10 s'étend entre la zone centrale 13 de la membrane déformable 12 et une zone centrale d'un support rigide 10' disposé en vis-à-vis 10 de la membrane 12. The rod 10 extends between the central zone 13 of the deformable membrane 12 and a central zone of a rigid support 10 'disposed opposite the membrane 12.
Le support rigide 10' comporte une face 10a, qui s'étend en regard de la membrane déformable 12. The rigid support 10 'has a face 10a which extends opposite the deformable membrane 12.
De préférence, le support rigide 10' comporte au moins une première électrode 15, et dans ce mode de réalisation tel qu'illustré en détail à la figure 4, 15 trois électrodes 15 sur la face 10a du support rigide 10'. Preferably, the rigid support 10 'comprises at least a first electrode 15, and in this embodiment as illustrated in detail in FIG. 4, three electrodes 15 on the face 10a of the rigid support 10'.
En vis-à-vis de cette face 10a est disposée au moins une seconde électrode 16 sur la membrane déformable 12. Vis-à-vis this face 10a is disposed at least a second electrode 16 on the deformable membrane 12.
Ainsi, la seconde électrode 16 est en opposition avec une première électrode 15 afin de réaliser une capacité. Thus, the second electrode 16 is in opposition with a first electrode 15 in order to achieve a capacitance.
Dans ce mode de réalisation, la membrane 12 a une forme de disque et la tige 10 est cylindrique. En outre, le support rigide 10' est cylindrique de telle sorte que la face supérieure 10a disposée en regard de la membrane 12 présente également une forme de disque. In this embodiment, the membrane 12 is disk-shaped and the rod 10 is cylindrical. In addition, the rigid support 10 'is cylindrical so that the upper face 10a disposed opposite the membrane 12 also has a disc shape.
Comme bien illustré sur la figure 4, les trois électrodes sont ici 25 disposées à 120 sur cette face 10a du support rigide 10'. As is well illustrated in FIG. 4, the three electrodes are here disposed at 120 on this face 10a of the rigid support 10 '.
Comme illustré sur la figure 5, une électrode commune est disposée sur la membrane 12, cette électrode commune 16 comprenant des portions d'électrodes 16a disposées en vis-à-vis des premières électrodes 15. As illustrated in FIG. 5, a common electrode is disposed on the membrane 12, this common electrode 16 comprising electrode portions 16a arranged opposite the first electrodes 15.
L'impédance de chaque capacité ainsi constituée par les paires d'électrodes 15, 16a dépend de la distance séparant ces électrodes, notée entrefer 17 sur la figure 1. The impedance of each capacitor thus constituted by the pairs of electrodes 15, 16a depends on the distance separating these electrodes, noted gap 17 in FIG.
On notera que dans ce mode de réalisation, la tige 10 et le support rigide 10' sont monobloc et réalisés ainsi en une seule pièce. Note that in this embodiment, the rod 10 and the rigid support 10 'are monobloc and thus made in one piece.
Lorsqu'un dispositif de mesure de force ainsi constitué est utilisé comme capteur de force, la force s'applique sur la tige 10 et déforme la membrane 12 à laquelle cette tige 10 est attachée. When a force measuring device thus constituted is used as a force sensor, the force is applied to the rod 10 and deforms the membrane 12 to which this rod 10 is attached.
Du fait de la déformation de la membrane, comme illustré sur les figures 2 et 3, l'entrefer 17 entre les capacités varie. La mesure des capacités permet de connaître les composantes de la force appliquée. Due to the deformation of the membrane, as illustrated in Figures 2 and 3, the gap 17 between the capacitors varies. The measurement of the capacities makes it possible to know the components of the applied force.
Ainsi, comme bien illustré à la figure 2, lorsqu'une force normale FZ c'est-à-dire perpendiculaire à la membrane 12, est appliquée aux capteurs, l'entrefer 17 varie de manière identique pour les trois capacités formées respectivement d'une première électrode 15 et d'une portion d'électrode 16a de l'électrode commune 16. Thus, as illustrated in FIG. 2, when a normal force FZ, that is perpendicular to the membrane 12, is applied to the sensors, the air gap 17 varies in the same way for the three capacitors formed respectively of a first electrode 15 and an electrode portion 16a of the common electrode 16.
En revanche, comme illustré à la figure 3, lorsque la force appliquée est une force tangentielle FX, l'entrefer 17 est diminué pour l'une ou l'autre des capacités et augmenté pour les autres capacités. On the other hand, as illustrated in FIG. 3, when the applied force is a tangential force FX, the gap 17 is decreased for one or the other of the capacities and increased for the other capacities.
Le fonctionnement est identique lorsque le dispositif de mesure de force est utilisé comme accéléromètre, la tige 10 et le support rigide 10' constituant une masse sismique à laquelle est appliquée l'accélération à mesurer. The operation is identical when the force measuring device is used as an accelerometer, the rod 10 and the rigid support 10 'constituting a seismic mass to which the acceleration to be measured is applied.
Cette masse sismique est alors soumise à une force comme décrit précédemment en référence aux figures 2 ou 3. This seismic mass is then subjected to a force as described previously with reference to FIGS. 2 or 3.
Comme bien illustré sur les figures 4 et 5, la tige 10 comprend des moyens de passage 18 de conducteurs électriques reliés à chaque première électrode 15 disposée sur le support rigide 10'. As well illustrated in Figures 4 and 5, the rod 10 comprises means 18 for passing electrical conductors connected to each first electrode 15 disposed on the rigid support 10 '.
Comme bien illustré sur la figure 5, ces moyens de passage 18 affleurent à la surface de la membrane déformable 12; les plots de connexion 19 de ces premières électrodes 15 sont en général déportés sur la partie non déformable de la membrane et, par exemple, la zone périphérique 14 de la membrane. As well illustrated in Figure 5, these passage means 18 are flush with the surface of the deformable membrane 12; the connection pads 19 of these first electrodes 15 are generally offset to the non-deformable portion of the membrane and, for example, the peripheral zone 14 of the membrane.
De même, l'électrode commune 16, dont chaque portion 16a s'étend en regard des premières électrodes 15, est connectée par un plot de connexion commun 20 disposé également sur la partie non déformable 14 de la membrane. Similarly, the common electrode 16, each portion 16a extends opposite the first electrodes 15, is connected by a common connection pad 20 also disposed on the non-deformable portion 14 of the membrane.
Ainsi, en disposant les plots de connexion 19, 20 des électrodes sur une même surface, dans cet exemple la membrane déformable 12, on facilite 5 l'interconnexion du capteur avec l'électronique de traitement du signal mesuré aux bornes des capacités. Thus, by arranging the connection pads 19, 20 of the electrodes on one and the same surface, in this example the deformable membrane 12, it facilitates the interconnection of the sensor with the signal processing electronics measured across the capacitors.
On va décrire à présent en référence aux figures 6 à 8 différents modes de réalisation d'un capteur de force selon l'invention. 6 to 8 different embodiments of a force sensor according to the invention will now be described with reference to FIGS.
On notera tout d'abord, que dans le mode de réalisation décrit 10 précédemment, le support rigide 10' présente une extrémité libre 10b de surface importante par rapport à la zone d'ancrage de la tige 10 au niveau de la zone centrale 13 de la membrane. It will be noted first of all that in the embodiment described above, the rigid support 10 'has a free end 10b of large surface area with respect to the anchoring zone of the rod 10 at the central zone 13 of the the membrane.
Cette surface importante 10b peut être éventuellement gênante si une force normal FZ appliquée ne présente pas un champ uniforme dans le plan 15 de cette extrémité 10b de la tige 10. This large surface 10b can be possibly troublesome if a normal force FZ applied does not have a uniform field in the plane 15 of this end 10b of the rod 10.
En effet, si la force normale FZ n'est pas uniforme, la déformation sous l'action de cette force normale peut s'apparenter à une déformation telle qu'engendrée par une force tangentielle Fx et illustrée à la figure 3. Indeed, if the normal force FZ is not uniform, the deformation under the action of this normal force can be likened to a deformation as generated by a tangential force Fx and illustrated in FIG.
Afin de résoudre cet inconvénient, il est possible de structurer le support rigide 10' de manière différente, et en particulier de diminuer cette face d'extrémité terminale 10b par la réalisation d'un épaulement. Un tel capteur de force est illustré par exemple à la figure 7. In order to solve this drawback, it is possible to structure the rigid support 10 'in a different manner, and in particular to reduce this end-end face 10b by producing a shoulder. Such a force sensor is illustrated for example in FIG. 7.
Dans le cas où le support rigide 10' doit coopérer avec un élément extérieur à mesurer, il peut être avantageux de structurer une ou des faces du support rigide par des créneaux de diverses formes gravés sur les différentes faces (parallèlement ou perpendiculairement à la membrane, de forme circulaire ou sous forme de stries), de façon à améliorer l'ancrage du support dans l'élément extérieur. In the case where the rigid support 10 'must cooperate with an external element to be measured, it may be advantageous to structure one or more faces of the rigid support by slots of various shapes etched on the different faces (parallel or perpendicular to the membrane, circular shape or streaks), so as to improve the anchoring of the support in the outer member.
Un exemple de créneaux réalisés dans la face d'extrémité 10b du 30 support rigide 10' est illustré à la figure 6. An example of crenellations made in the end face 10b of the rigid support 10 'is illustrated in FIG. 6.
Lorsque le dispositif de mesure de force tel que décrit précédemment est utilisé en accéléromètre, la protection des capacités du milieu extérieur peut être réalisé simplement comme illustré à la figure 6, en rapportant sur la face arrière du capteur, au niveau de la zone périphérique 14 de l'ancrage de la membrane 12 un substrat 21 collé ou scellé. When the force measuring device as described above is used as an accelerometer, the protection of the capacitances of the external medium can be realized simply as illustrated in FIG. 6, while relating to the rear face of the sensor, at the level of the peripheral zone 14. anchoring the membrane 12 a bonded or sealed substrate 21.
Ainsi, la tige 10 et le support rigide 10' sont enfermés dans une 5 cavité 22 fermée par la membrane. Thus, the rod 10 and the rigid support 10 'are enclosed in a cavity 22 closed by the membrane.
Dans des techniques de fabrication par micro technologie, le scellement de ce substrat 21 peut être réalisé par des techniques classiques telles que le scellement anodique verre silicium ou le scellement direct par adhésion moléculaire. Un gaz emprisonné à l'intérieur de la cavité 22 et présent notamment au niveau de l'entrefer 17 peut être un gaz inerte à une pression contrôlée. Le scellement peut également être réalisé sous vide. In micro-technology manufacturing techniques, the sealing of this substrate 21 can be achieved by conventional techniques such as anodic silicon glass sealing or direct sealing by molecular adhesion. A gas trapped inside the cavity 22 and present in particular at the air gap 17 may be an inert gas at a controlled pressure. Sealing can also be performed under vacuum.
Comme illustré à la figure 7, lorsque le dispositif de mesure de force est utilisé en capteur de force, la tige 10, et notamment son extrémité libre 10b doit être en contact avec la zone d'application de la force que l'on souhaite mesurer. Pour assurer la protection des capacités, on peut également rapporter un substrat 23 dans lequel une ouverture, ici circulaire, est ménagée pour laisser le passage à l'extrémité 10b de la tige 10. As illustrated in FIG. 7, when the force measuring device is used as a force sensor, the rod 10, and in particular its free end 10b, must be in contact with the zone of application of the force that it is desired to measure. . To ensure the protection of the capacitors, it is also possible to relate a substrate 23 in which an opening, here circular, is formed to allow the passage to the end 10b of the rod 10.
L'étanchéité peut être réalisée au moyen d'un joint souple 24 disposé entre une paroi longitudinale de la tige 10 et le substrat de protection 23. The seal can be achieved by means of a flexible seal 24 disposed between a longitudinal wall of the rod 10 and the protective substrate 23.
On notera que la raideur supplémentaire apportée par le joint 24 doit être faible par rapport à la raideur de la structure qui doit être sensible à une force appliquée dans les trois directions. Note that the additional stiffness provided by the seal 24 must be low compared to the stiffness of the structure which must be sensitive to a force applied in the three directions.
Le scellement peut être également réalisé sous vide ou en présence d'un gaz inerte à une pression contrôlée. The sealing may also be performed under vacuum or in the presence of an inert gas at a controlled pressure.
De manière alternative, on a illustré à la figure 8 une solution permettant également de réaliser le scellement d'un substrat 25 sur la périphérie 14 de la tête 11 du capteur. Dans ce mode de réalisation, la zone centrale 13 de la membrane 12 et la tige 10 présentent un trou 26 adapté à recevoir des moyens de transmission de la force à mesurer et, par exemple, une seconde tige (non représentée) qui sera elle-même en contact avec la zone d'application de la force à mesurer. Alternatively, there is illustrated in Figure 8 a solution also for sealing a substrate 25 on the periphery 14 of the head 11 of the sensor. In this embodiment, the central zone 13 of the membrane 12 and the rod 10 have a hole 26 adapted to receive means for transmitting the force to be measured and, for example, a second rod (not shown) which will itself be even in contact with the application area of the force to be measured.
On va illustrer à présent en référence aux figures 9A à 9P un premier mode de fabrication par micro technologie d'un capteur de force tel que décrit précédemment. FIGS. 9A to 9P will now illustrate a first method of manufacturing by micro-technology a force sensor as described previously.
Ce mode de fabrication utilise un substrat silicium sur isolant (SOI). This method of manufacture uses a silicon on insulator (SOI) substrate.
A partir d'un substrat SOI tel qu'illustré à la figure 9A, on réalise comme illustré à la figure 9B l'implantation ionique des électrodes inférieures 15. From an SOI substrate as illustrated in FIG. 9A, the ion implantation of the lower electrodes 15 is carried out as illustrated in FIG. 9B.
On notera que le type (P ou N) du dopant doit être différent du type du substrat dans lequel les électrodes sont implantées de manière à réaliser 10 une jonction PIN qui isole les électrodes du substrat. It should be noted that the type (P or N) of the dopant must be different from the type of the substrate in which the electrodes are implanted so as to form a PIN junction which isolates the electrodes from the substrate.
Ainsi, par exemple, les électrodes sont obtenues par implantation d'ions de type P pour un substrat de type N afin de former une jonction P/N. Thus, for example, the electrodes are obtained by implanting P-type ions for an N-type substrate to form a P / N junction.
On réalise ensuite, comme illustré à la figure 9C, l'ouverture de trous 30 dans la surface du substrat pour permettre la reprise d'épitaxie. Then, as illustrated in FIG. 9C, the opening of holes 30 in the surface of the substrate is made to allow the epitaxial resumption.
La figure 9D illustre l'étape d'épitaxie. Cette étape d'épitaxie consiste à faire croître une couche de silicium monocristallin à partir du silicium superficiel monocristallin du substrat SOI. L'épaisseur d'épitaxie règle l'épaisseur de la membrane 12 en fin de procédé de fabrication. Figure 9D illustrates the epitaxial step. This epitaxial step consists in growing a monocrystalline silicon layer from the monocrystalline superficial silicon of the SOI substrate. The thickness of epitaxy regulates the thickness of the membrane 12 at the end of the manufacturing process.
Comme illustré à la figure 9E, on réalise ensuite un masque 31, par 20 exemple à base de Si3N4, pour une gravure humide anisotrope de la couche superficielle de silicium. As illustrated in FIG. 9E, a mask 31, for example based on Si3N4, is then produced for wet anisotropic etching of the silicon surface layer.
L'étape illustrée à la figure 9F montre le résultat d'une gravure anisotrope de la couche de silicium superficielle. The step illustrated in FIG. 9F shows the result of anisotropic etching of the superficial silicon layer.
Comme illustré à la figure 9G, le masque Si3N4 est ensuite éliminé. As illustrated in FIG. 9G, the Si3N4 mask is then eliminated.
On dépose ensuite, comme illustré à la figure 9H, une couche diélectrique 32 permettant d'isoler le substrat en vue d'une gravure métallique ultérieure. Then, as illustrated in FIG. 9H, a dielectric layer 32 is deposited, making it possible to isolate the substrate with a view to subsequent metal etching.
On réalise ensuite comme illustré à la figure 91 des ouvertures 33 permettant d'établir la connexion sur les électrodes inférieures 15 au travers 30 des couches de diélectrique 32. Then, as shown in FIG. 91, openings 33 are made for connection to the lower electrodes 15 through dielectric layers 32.
Une étape de dépôt et de gravure d'un métal 34 est illustrée à la figure 9J, pour permettre la création des contacts au niveau des électrodes inférieures 15 et la réalisation des pistes conductrices jusqu'aux plots de connexion 19 comme décrit précédemment en référence à la figure 5. A step of deposition and etching of a metal 34 is illustrated in FIG. 9J, to allow the creation of the contacts at the lower electrodes 15 and the realization of the conductive tracks to the connection pads 19 as previously described with reference to FIG. Figure 5.
Les étapes suivantes illustrent une gravure profonde de la face arrière du substrat pour réaliser la tige et le support rigide des électrodes 5 inférieures 15. The following steps illustrate a deep etching of the rear face of the substrate to make the rod and the rigid support of the lower electrodes 15.
En pratique, à l'étape telle qu'illustrée à la figure 9K, on réalise un double masque 35, 36 de gravure profonde sur la face arrière du substrat. In practice, in the step as illustrated in FIG. 9K, a deep etching mask 35, 36 is made on the rear face of the substrate.
Une première gravure profonde est illustrée à la figure 9L pour amorcer la forme du support rigide 10'. A first deep etching is illustrated in FIG. 9L to initiate the shape of the rigid support 10 '.
Le premier masque de gravure profonde 35 est ensuite éliminé comme illustré sur la figure 9M. The first deep etch mask 35 is then removed as shown in FIG. 9M.
Une seconde gravure profonde est mise en oeuvre jusqu'à l'oxyde du substrat SOI. A second deep etching is carried out up to the SOI substrate oxide.
Le second masque 36 est également retiré comme illustré à la figure 15 9N. The second mask 36 is also removed as shown in FIG. 9N.
Avant de réaliser la gravure de la couche d'oxyde sacrifiée, on protège tout d'abord les couches superficielles par un masque 37 en résine par exemple sur la face supérieure du substrat comme illustré à la figure 90. Before etching the sacrificial oxide layer, the surface layers are first protected by a resin mask 37, for example on the upper face of the substrate as shown in FIG.
Une gravure humide de la couche d'oxyde sacrifiée est ensuite mise en oeuvre comme illustré à la figure 9P pour réaliser l'entrefer 17 des capacités. Wet etching of the sacrificial oxide layer is then carried out as illustrated in FIG. 9P to produce the air gap 17 of the capacitors.
La couche de protection supérieure 37 est également retirée. The upper protective layer 37 is also removed.
On notera que grâce à ce procédé, la dimension de l'entrefer 17 est très précise dès lors qu'il correspond à l'épaisseur de la couche d'oxyde sacrifiée dans le substrat SOI de base. It will be noted that, thanks to this method, the dimension of the gap 17 is very precise since it corresponds to the thickness of the sacrificed oxide layer in the basic SOI substrate.
On peut ainsi obtenir un entrefer aussi petit que possible pour avoir une sensibilité maximum de la capacité. It is thus possible to obtain an air gap as small as possible to have a maximum sensitivity of the capacity.
Contrairement à des méthodes de fabrication dans lesquelles les différentes parties sont assemblées, et pour lesquelles le contrôle de l'entrefer dépend de la précision d'usinage des parties et de la méthode d'assemblage, le procédé de fabrication permet de manière reproductible de réaliser des capteurs avec un entrefer de faible dimension. Unlike manufacturing methods in which the different parts are assembled, and for which the control of the gap depends on the machining precision of the parts and the method of assembly, the manufacturing process reproducibly allows to achieve sensors with a small air gap.
Les étapes telles que décrites en référence aux figures 9K à 9P peuvent éventuellement être modifiées si l'extrémité terminale 10c de la tige 10 doit présenter une surface d'application réduite afin de capter de manière fiable une force perpendiculaire au plan de la membrane même si celle-ci n'est pas uniforme dans son plan d'application. The steps as described with reference to FIGS. 9K to 9P may possibly be modified if the end end 10c of the rod 10 must have a reduced application surface in order to reliably capture a force perpendicular to the plane of the membrane even if it is not uniform in its application plan.
Pour cela, à l'étape modifiée telle qu'illustrée à la figure 9K', on réalise un double masque 38, 39 de gravure profonde dont les dimensions du second masque 39 sont inférieures à celles du premier masque externe 38. For this, in the modified step as illustrated in FIG. 9K ', a deep etching double mask 38, 39 is produced whose dimensions of the second mask 39 are smaller than those of the first external mask 38.
Comme précédemment, les figures 9L' et 9M' illustrent la première gravure profonde et l'élimination du premier masque 38 de gravure profonde. As previously, FIGS. 9L 'and 9M' illustrate the first deep etching and the removal of the first deep etching mask 38.
Le second masque 39 n'ayant qu'une portion réduite au centre de la tige, l'étape de seconde gravure profonde telle qu'illustrée à la figure 9N' permet de réaliser une gravure jusqu'à l'arrêt de gravure sous l'oxyde et un épaulement dans l'extrémité libre 10c de la tige. The second mask 39 having only a reduced portion in the center of the rod, the second deep etching step as illustrated in FIG. 9N 'makes it possible to carry out an etching until the etching stop under the FIG. oxide and a shoulder in the free end 10c of the rod.
Les figures 90' et 9P' illustrent de manière similaire aux figures 90 et 9P la protection des couches superficielles pour la gravure humide de la couche d'oxyde sacrifiée et la réalisation de l'entrefer 17. FIGS. 90 'and 9P' illustrate, in a manner similar to FIGS. 90 and 9P, the protection of the surface layers for the wet etching of the sacrificial oxide layer and the realization of the gap 17.
Dans ces deux cas, on peut contrôler de manière précise la valeur de l'entrefer, jusqu'à quelques centaines de nanomètre. In both cases, the value of the air gap can be precisely controlled up to a few hundred nanometers.
Cet entrefer est déterminé ici par l'épaisseur de l'oxyde enterré du substrat SOI utilisé au départ. This gap is determined here by the thickness of the buried oxide SOI substrate used initially.
En outre, ce procédé de fabrication permet de reporter les contacts électriques sur une même face du substrat sans nécessité le passage de conducteurs d'un substrat à un autre comme cela serait le cas si le dispositif de mesure de force était réalisé en deux parties assemblées. In addition, this manufacturing method allows to postpone the electrical contacts on the same face of the substrate without the need for the passage of conductors from one substrate to another as would be the case if the force measuring device was made in two parts assembled .
On va décrire à présent un second mode de fabrication dans lequel deux substrats SOI sont collés l'un à l'autre. A second method of manufacture will now be described in which two SOI substrates are glued to each other.
Comme illustré à la figure 10A, on utilise tout d'abord un substrat S en silicium. As illustrated in FIG. 10A, a silicon substrate S is first used.
Une étape d'oxydation thermique est illustrée à la figure 10B. A thermal oxidation step is illustrated in Figure 10B.
Les électrodes inférieures 15 sont ensuite réalisées par dépôt et gravure polysilicium, tel qu'illustré à la figure 10C. The lower electrodes 15 are then made by polysilicon deposition and etching, as illustrated in FIG. 10C.
Un dépôt d'oxyde 40 sur la face supérieure du substrat est ensuite réalisé, comme illustré à la figure 10D, puis l'ensemble est soumis à une étape de planarisation afin d'obtenir une surface plane 40 comme illustrée à la figure 10E. An oxide deposit 40 on the upper face of the substrate is then produced, as illustrated in FIG. 10D, then the assembly is subjected to a planarization step in order to obtain a flat surface 40 as illustrated in FIG. 10E.
L'oxyde est ensuite ouvert en partie au niveau des électrodes inférieures 15 tel qu'illustré sur la figure 10F. The oxide is then partially opened at the lower electrodes 15 as shown in FIG. 10F.
On colle ensuite un substrat SOI, tel qu'illustré sur la figure 10G, afin de réaliser la membrane déformable. An SOI substrate is then glued, as illustrated in FIG. 10G, in order to produce the deformable membrane.
Comme bien illustré sur la figure 10H, ce substrat est ensuite aminci. 10 Grâce à l'utilisation d'un substrat SOI, le contrôle de l'épaisseur restante est plus facile, notamment si la membrane est très fine (inférieure à 2 ou 3 m) Une étape de gravure anisotrope du silicium superficiel est ensuite mise en oeuvre sur la figure 10I afin de permettre la réalisation des connexions 15 électriques. As well illustrated in Figure 10H, this substrate is then thinned. With the use of an SOI substrate, the control of the remaining thickness is easier, especially if the membrane is very thin (less than 2 or 3 m). An anisotropic etching step of the superficial silicon is then carried out. 10I to allow the realization of the electrical connections.
Une couche 41 d'un matériau diélectrique est ensuite déposée telle qu'illustré à la figure 10J, puis, comme illustré à la figure 10K, des ouvertures 42 sont réalisées au niveau des électrodes inférieures 15 pour permettre la réalisation des contacts électriques au travers des couches diélectriques superficielles. A layer 41 of a dielectric material is then deposited as illustrated in FIG. 10J, then, as illustrated in FIG. 10K, openings 42 are made at the level of the lower electrodes 15 to allow the making of the electrical contacts through the superficial dielectric layers.
Comme illustré sur la figure 10L, un dépôt et une gravure métallique 43 permettent de réaliser les contacts au niveau des électrodes inférieures 15 et les différentes pistes conductrices. As illustrated in FIG. 10L, a deposit and a metal etching 43 make it possible to make the contacts at the level of the lower electrodes 15 and the various conductive tracks.
Enfin, un procédé de gravure de la face arrière est mis en oeuvre de 25 manière identique à celui décrit précédemment en référence aux figures 9K à 9N ou 9K' à 9N' pour permettre la réalisation de la face arrière. Finally, a method of etching the rear face is implemented in the same manner as that described above with reference to FIGS. 9K to 9N or 9K 'to 9N' to allow the realization of the rear face.
On notera que dans ce mode de réalisation, l'épaisseur de l'entrefer 17 dépend de l'épaisseur d'oxyde après polissage lors de l'étape de planarisation telle que décrite précédemment en référence à la figure 10E. Note that in this embodiment, the thickness of the gap 17 depends on the oxide thickness after polishing during the planarization step as described above with reference to Figure 10E.
Dans ce cas également, on peut réaliser un contrôle précis de l'entrefer, avec des valeurs de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. In this case also, one can achieve precise control of the air gap, with values of the order of a few hundred nanometers.
Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'exemple de réalisation décrit précédemment sans sortir du cadre de l'invention. Of course, many modifications can be made to the embodiment described above without departing from the scope of the invention.
En particulier, dans tous les exemples décrits précédemment, la seconde électrode 16 est située sur la face externe de la membrane 12, à l'opposé de la face 10a du support rigide 10', la membrane étant elle-même conductrice. Bien entendu, la disposition de la seconde électrode 16 pourrait être interne, sur la face de la membrane directement en regard de la face 10a du support rigide 10'. In particular, in all the examples described above, the second electrode 16 is located on the outer face of the membrane 12, opposite the face 10a of the rigid support 10 ', the membrane itself being conductive. Of course, the arrangement of the second electrode 16 could be internal, on the face of the membrane directly opposite the face 10a of the rigid support 10 '.
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