Accéléromètre micro-usine à peignes capacitifs - MyScienceWork (2023)

Abstract

Accéléromètre à peignes capacitifs comportant un substrat (5), une électrode mobile (2) par rapport audit substrat (5) munie d'un ensemble de doigts mobiles (7), une électrode (4) fixe par rapport audit substrat (5) munie d'un ensemble de doigts fixes (8A, 8B), chacun desdits doigts mobiles (7) étant disposé entre deux doigts fixes contigus (8A, 8B) de manière à former une microstructure à peignes interdigités.Selon l'invention les doigts mobiles (7) sont solidarisés entre eux par au moins une première poutre de liaison (20) gravée directement dans le substrat (5), et/ou, les doigts fixes (8A, 8B) sont solidarisés entre eux par au moins une deuxième poutre de liaison (22) gravée directement dans le substrat (5).

Description

DOMAINE TECHNIQUEL'invention se situe dans le domaine des micro-capteurs silicium et concerne plus spécifiquement un accéléromètre micro-usiné à peignes capacitifs comportant un substrat, une électrode mobile par rapport audit substrat munie d'un ensemble de doigts sensibles mobiles, une électrode fixe par rapport audit substrat munie d'un ensemble de doigts sensibles fixes, chacun des doigts mobiles étant disposé entre deux doigts fixes contigus de manière à former une microstructure à peignes interdigités.ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURELa figure 1 illustre schématiquement une vue de dessus d'un accéléromètre à peignes interdigités de l'art antérieur comportant une première électrode 2 et une deuxième électrode 4 gravées dans un même substrat en silicium 5. La première électrode 2 est constituée par une masse mobile 6 munie d'une pluralité de doigts mobiles 7 s'étendent latéralement. La deuxième électrode est composée de deux parties 4A, 4B situées de part et d'autre de la masse mobile 6 et comportant chacune plusieurs doigts fixes 8 s'étendant parallèlement aux doigts mobiles 7. Chacun des doigts mobiles 7 étant disposé entre deux doigts fixes contigus de manière à définir une microstructure à peignes interdigités. La masse mobile 6 est reliée ausubstrat 5 par une tige flexible 12 définissant un ressort de rappel.En fonctionnement, sous l'effet d'une accélération suivant l'axe de la masse mobile 6, celle-ci se déplace dans le plan par rapport au substrat 5 entraînant un déplacement relatif des doigts mobiles 7 par rapport aux doigts fixes 8. Ce déplacement relatif produit une variation de la capacité entre les doigts mobiles 7 et les doigts fixes 8. La mesure d'accélération s'effectue par la mesure de cette variation de capacité.Généralement, ces micro-accéléromètres sont réalisés soit sur une couche de silicium polycristallin déposée sur une couche sacrificielle d'oxyde, soit sur substrat de type SOI (Silicon On Insulator pour Silicium sur Isolant) comportant une couche d'oxyde enterrée servant alors de couche sacrificielle. Un exemple d'une telle microstructure est décrit dans le brevet français de la demanderesse N° FR2558263.Un problème des accéléromètres de l'art antérieur décrits ci-dessus provient du fait que dans certaines conditions, les doigts mobiles et les doigts fixes restent collés les uns aux autres, comme cela est illustré à la figure 1, conduisant à une baisse sensible du rendement de fabrication, et à un risque important de dysfonctionnement de l'accéléromètre. Ce problème peut avoir pour origine l'accumulation de charges sur les surfaces des doigts sensibles et survient soit après un choc, soit après l'application d'une différence de potentiel entre peignes fixes etpeignes mobiles susceptible de mettre les deux jeux d'électrodes en contact.Pour remédier à ce problème, une solution connue consiste à solidariser les doigts des peignes par l'utilisation d'une couche sacrificielle épaisse sur les doigts de la structure et le dépôt d'une couche, si possible non contrainte, typiquement du Si polycristallin, pour relier ces doigts.Cette solution est complexe car, d'une part, l'obtention d'une couche sacrificielle épaisse est difficile, et d'autre part, l'utilisation d'une couche non contrainte limite le choix du matériau et nécessite l'utilisation d'un procédé haute température.Le but de l'invention est de pallier les inconvénients de l'art antérieur décrits ci-dessus.EXPOSÉ DE L'INVENTIONL'invention préconise un accéléromètre à peignes capacitifs comportant un substrat, une électrode mobile par rapport audit substrat munie d'un ensemble de doigts mobiles, une électrode fixe par rapport audit substrat munie d'un ensemble de doigts fixes, chacun desdits doigts mobiles étant disposé entre deux doigts fixes contigus de manière à former une microstructure à peignes interdigités.Selon l'invention, les doigts mobiles sont solidarisés entre eux par au moins une première poutre de liaison gravée directement dans le substrat, et/ou, les doigts fixes sont solidarisés entre eux par au moins une deuxième poutre de liaison gravée directement dans le substrat.Préférentiellement, lesdites poutres de liaison sont situées à proximité de l'extrémité des doigts à solidariser.Cette disposition permet d'augmenter la raideur de l'ensemble des doigts mobiles et/ou des doigts fixes dans la zone à fort déplacement des doigts mobiles.Avantageusement, l'électrode mobile est reliée au substrat par des tiges flexibles. Préférentiellement, les tiges flexibles sont réalisées aux extrémités de l'électrode mobile. Avantageusement, ces tiges flexibles sont gravées directement dans le substrat.Dans un mode préféré de réalisation, l'électrode mobile comporte une masse mobile, de préférence rectangulaire, à partir de laquelle s'étendent latéralement lesdits doigts mobiles, et l'électrode fixe comporte deux parties disposées symétriquement de part et d'autre de la masse mobile et comportant chacune des doigts fixes s'étendant latéralement vers ladite masse mobile de sorte que chaque doigt mobile soit disposé entre deux doigts fixes contigus.Avantageusement, la masse mobile comporte au moins une poutre de liaison gravée dans le substrat. L'épaississement local de la masse mobile à pour effet d'augmenter la sensibilité de l'accéléromètre sans augmenter sa taille.Dans un mode avantageux de l'invention, les doigts mobiles et/ou les doigts fixes situés aux extrémités de la masse mobile présentent une largeursupérieure à celle des autres doigts mobiles et/ou fixes. Ceci permet d'augmenter la raideur de l'ensemble des doigts sans limiter leur nombre.Préférentiellement, le substrat est un substrat SOI.L'accéléromètre selon l'invention est réalisé par un procédé comportant les étapes suivantes :fourniture d'un substrat comportant une couche sacrificielle enterrée,formation d'un masque sur une face du substrat selon un motif pour définir une microstructure à peignes interdigités comprenant une masse sismique, des ressorts de rappel, un ensemble de doigts mobiles et un ensemble de doigts fixes agencés de telle sorte que chaque doigt mobile soit disposé entre deux doigts fixes contigus,gravure dans la face du substrat selon le motif avec arrêt sur la couche sacrificielle enterrée,amincissement de la face du substrat exposée, avec arrêt avant la couche sacrificielle enterrée selon une épaisseur au moins égale à l'épaisseur de la au moins une poutre de liaison,formation de la au moins une première poutre de liaison reliant les doigts mobiles, et/ou de la au moins une deuxième poutre de liaison reliant les doigts fixes par gravure dans la face du substrat exposée avec arrêt sur la couche sacrificielle,formation de points d'ancrage servant à ancrer la au moins une première poutre de liaison surau moins deux doigts mobiles, et/ou la au moins une deuxième poutre de liaison sur au moins deux doigts fixes,élimination d'au moins une partie de la couche sacrificielle pour désolidariser l'ensemble de doigts mobiles de l'ensemble de doigts fixes.Il est préférable qu'il y ait au moins deux points d'ancrage par poutre de liaison.Avantageusement, l'amincissement est réalisé par gravure, par exemple par gravure plasma (DRIE), par gravure mixte KOH et DRIE, par amincissement mécanique.L'élimination de la couche sacrificielle est réalisée avantageusement par gravure humide ou par gravure avec de l'acide fluorhydrique sous forme vapeur.Selon une variante, le procédé comprend en outre une étape de formation d'au moins une poutre de liaison sur la masse mobile et une étape de formation de points d'ancrage servant à ancrer ladite au moins une poutre de liaison sur la masse mobile.Avantageusement, l'étape de formation de points d'ancrage peut être réalisée avant l'étape de formation de la au moins une poutre de liaison.Préférentiellement, le substrat est un substrat SOI, c'est-à-dire un substrat de silicium comportant une couche sacrificielle enterrée de SiO2.Préférentiellement, les poutres de liaison sont en un matériau choisi parmi SiN, Si3N4et le silicium polycristallin.Avantageusement, l'étape de formation des points d'ancrage est obtenue en réalisant des trous par gravure de la face exposée du substrat et de la couche sacrificielle sous-jacente et en remplissant ces trous par le matériau des points d'ancrage. Les points d'ancrage peuvent par exemple être réalisés par lithogravure de la couche supérieure du substrat et de la couche sacrificielle jusqu'à atteindre la couche inférieure du substrat sous-jacente à la couche sacrificielle.Selon une variante, le procédé de fabrication comprend en outre les étapes suivantes :fourniture d'un substrat support présentant une cavité sur une de ses faces,scellement de la face du substrat comprenant la microstructure à peignes interdigités sur la face du substrat support en vis-à-vis de la cavité dudit substrat support. Le scellement peut être réalisé par exemple par adhésion moléculaire, scellement eutectique, polymère...Avantageusement, le substrat support est en silicium ou en verre. Le substrat support sert de support mécanique.BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSD'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, prise à titre d'exemple non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles :la figure 1, décrite précédemment, illustre schématiquement une vue de dessus d'un accéléromètre de l'art antérieur,la figure 2 illustre schématiquement une vue de dessus d'un accéléromètre selon l'invention,les figures 3 à 11 sont des vues en coupe verticale selon l'axe YY de la figure 2, illustrant schématiquement les différentes phases du procédé de réalisation d'un accéléromètre selon l'invention.EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDans la suite de la description, les éléments communs aux dispositifs de l'art antérieur et aux dispositifs de l'invention seront désignés par des références identiques.La figure 2 illustre schématiquement une vue de dessus d'un accéléromètre micro-usiné à peignes capacitifs réalisé dans un substrat 5 de type SOI (pour Silicon on insulator, Silicium sur Isolant) et reporté sur une cavité.Cet accéléromètre comporte une première électrode 2 mobile par rapport au substrat 5 et une deuxième électrode (4A, 4B) fixe par rapport audit substrat 5. L'électrode mobile 2 comporte une masse mobile 6 de forme rectangulaire, gravée dans le substrat 5et munie d'un ensemble de doigts sensibles 7 également gravés dans le substrat 5 et s'étendant latéralement sur chaque côté de la masse mobile 6.L'électrode fixe 4 comporte une première partie 4A agencée le long d'un des côtés de la massemobile 6, et une deuxième partie 4B agencée le long de l'autre côté de la masse mobile 6.La première partie 4A et la deuxième partie 4B comportent chacune plusieurs doigts fixes 8A, 8B s'étendant latéralement en direction de la masse mobile 6 et parallèlement aux doigts mobiles 7 de sorte que chaque doigt mobile 7 soit disposé entre deux doigts fixes contigus 8.La masse mobile 6 est reliée à l'électrode fixe (4A, 4B) au moyen de tiges flexibles 12 réalisées par gravure dans le substrat 5.Dans le mode de réalisation illustré par la figure 2, les doigts mobiles 7 sont reliés entre eux par une première poutre de liaison 20 réalisée par gravure dans la masse du substrat (partie massive du substrat). De même, les doigts fixes (8A, 8B) sont reliés entre eux par une deuxième poutre de liaison 22 réalisée par gravure dans la masse du substrat (partie massive du substrat).La première poutre de liaison 20 est ancrée sur chaque doigt mobile 7 et la deuxième poutre de liaison 22 est ancrée sur chaque doigt fixe (8A, 8B).L'encrage des poutres de liaison 20, 22 peut être obtenu par dépôt type Si3N4ou Silicium polycristallin.Le substrat 5 comporte une couche d'oxyde enterré (visible sur la figure 3 représentant le substrat 5) qui joue le rôle de couche sacrificielle aux poutres de liaison définissant, après son retrait, un évidement permettant d'éviter que la poutre de liaison 20 (respectivement 22) des doigts mobiles(respectivement fixes) ne touchent les doigts fixes (respectivement mobiles).Pour réaliser l'encrage des poutres 20 et 22, on peut également jouer sur les temps de gravure de la couche sacrificielle 24. En effet, si les poutres 20 et 22 sont nettement plus étroites que les zones d'encrage, lors de l'étape du retrait de la couche sacrificielle 24, celles-ci seront libérées bien avant que l'oxyde au niveau de l'encrage ne disparaisse.A titre d'exemple de réalisation, les poutres de liaison 20, 22 peuvent présenter une largeur de 2 µm et la zone d'encrage une largeur de 6 µm de côté. Cette variante permet la suppression de l'étape de dépôt.Afin d'augmenter la raideur de l'ensemble, les doigts 7 situés aux deux extrémités de la masse mobile 6 sont élargis par rapport aux autres doigts. En outre, dans une variante de réalisation, l'épaisseur du silicium utilisé pour réaliser les poutres de liaison 20, 22, est conservée au niveau de la masse mobile 6 pour augmenter localement son épaisseur et donc sa masse. Cette variante permet d'augmenter la sensibilité du capteur dans la mesure où les ressorts de rappel restent inchangés, seule la masse augmente.Pour assurer un bon encrage de la masse additionnelle sur la masse mobile 6, on ajoute des points d'encrage (en Si3N4ou en Silicium polycristallin) comme pour les poutres de liaison 20, 22.Une autre méthode consiste à choisir des dimensions de la zone de recouvrement de la massemobile 6 et d'une masse additionnelle suffisantes pour que tout l'oxyde enterré ne s'élimine pas lors du retrait de la couche sacrificielle 24.Le procédé de fabrication de l'accéléromètre selon l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 3 à 11 représentant une coupe verticale partielle de l'accéléromètre représenté à la figure 2, selon l'axe YY.L'étape illustrée par la figure 3 consiste à réaliser un masque sur le substrat 5 de type SOI pour définir sur ce substrat la masse sismique, les ressorts de rappel, les zones d'ancrage, un ensemble de doigts mobiles et un ensemble de doigts fixes agencés de telle sorte que chaque doigt mobile soit disposé entre deux doigts fixes contigus. Comme on peut le voir sur cette figure, le substrat 5 comporte une couche d'oxyde sacrificielle (SiO2) 24 enterrée.L'étape illustrée par la figure 4 consiste à réaliser l'ensemble de doigts mobiles et l'ensemble de doigts fixes par gravure directe de 60 µm dans le substrat 5 SOI, avec arrêt sur la couche d'oxyde enterrée (SiO2) 24.L'étape illustrée par la figure 5 consiste à graver une cavité de 30pm sur un deuxième substrat 26 en Silicium.L'étape illustrée par la figure 6 consiste à sceller le substrat SOI 5 sur le deuxième substrat 26, par exemple par adhésion moléculaire, scellement eutectique, polymère...L'étape illustrée par la figure 7 consiste à amincir le substrat SOI par gravure, par exemple pargravure plasma (DRIE), par gravure mixte KOH et DRIE, par amincissement mécanique, avec arrêt à environ 10µm de la couche d'oxyde enterrée (SiO2) 24.L'étape illustrée par la figure 8 consiste à réaliser, par lithogravure, des points d'encrage 30 des poutres de liaisons 20, 22 à 10 µm du silicium et 0,4 µm de la couche d'oxyde SiO224 jusqu'à atteindre la couche de silicium « du dessous ».L'étape illustrée par la figure 9 consiste à effectuer un dépôt 30 d'environ 0,8 µm de SiNo4et une lithogravure des points d'encrage des poutre de liaison sur les doigts 20, 22.L'étape illustrée par la figure 10 consiste à réaliser la poutre de liaison 20 reliant les doigts mobiles 7 et la poutre de liaison 22 reliant les doigts fixes 8, ainsi que la poutre de liaison 32 sur la masse mobile 6.L'étape illustrée par la figure 11 consiste à retirer la couche sacrificielle 24 par gravure humide ou par gravure HF (pour acide fluorhydrique) vapeur pour désolidariser l'ensemble de doigts mobiles de l'ensemble de doigts fixes.Ce procédé permet :d'éliminer le problème de collage des peignes interdigités,de s'affranchir de l'utilisation d'une couche sacrificielle déposée,d'obtenir des poutres de liaison directement dans le substrat, donc en silicium monocristallin, évitant ainsi les contraintes mécaniques sur les peignes susceptibles de déformer les doigts.En outre, avec le procédé selon l'invention, il est possible d'épaissir localement certaines parties de la masse mobile afin d'augmenter la sensibilité sans augmenter la taille de l'accéléromètre.See more

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