Article de référence | Réf : R2070 v1

Techniques de réalisation
Microcapteurs de pression

Auteur(s) : Ali BOUKABACHE, Philippe MENINI, Patrick PONS

Relu et validé le 01 mars 2019

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Auteur(s)

  • Ali BOUKABACHE : Maître de conférences à l’Institut d’électronique de l’Université de Constantine

  • Philippe MENINI : Maître de conférences à l’Université Toulouse 3

  • Patrick PONS : Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes du Centre National de la Recherche Scientifique (LAAS‐CNRS)

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INTRODUCTION

La pression a toujours été un des paramètres les plus mesurés dans de nombreux domaines. Ainsi les capteurs de pression se retrouvent comme étant le premier maillon d'un système de perception, de contrôle ou de mesure.

Jusque dans les années 1970‐1980 les capteurs, de type électromécanique, étaient réalisés à partir de machines-outils conventionnelles. Compte tenu du coût relativement élevé de ces capteurs, les principales applications étaient liées au secteur industriel. À partir des années 1970, l’utilisation du silicium comme matériau de base et des techniques de fabrication collectives issues de la microélectronique ont profondément changé le marché des capteurs de pression pour des raisons économiques et techniques.

La réduction des prix unitaires liée à la fabrication collective a ainsi permis d'ouvrir aux capteurs de pression les marchés grands publics et notamment celui de l'automobile. Les améliorations techniques en termes de miniaturisation, de performances et d'autonomie ont permis d’introduire les capteurs de pression dans de nouveaux secteurs d'application comme le génie médical, l'environnement et la domotique. En 1995, le marché des capteurs de pression invasifs de pression sanguine était déjà estimé à 20 millions de pièces par an pour un coût unitaire de 15 francs.

Dans ce qui suit, nous détaillerons tout d’abord les principes de fonctionnement généralement utilisés pour les capteurs miniatures en silicium. Puis nous décrirons les techniques de réalisation mises en œuvre pour élaborer ces capteurs. Enfin, nous présenterons les performances des deux principaux types de capteurs existants : les capteurs piézorésistifs et capacitifs en silicium. Le dernier chapitre évoquera le cas particulier des capteurs de pression pour applications automobiles.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r2070


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2. Techniques de réalisation

2.1 Généralités

Les matériaux et les techniques de réalisation utilisés doivent permettre d’obtenir des corps d’épreuve et des transducteurs électriques miniatures performants et à faible coût. C’est pourquoi le silicium monocristallin constitue le substrat de base à l'élaboration des capteurs de pression miniatures. Il possède en effet des propriétés mécaniques exceptionnelles [7] puisque sa rigidité est comparable à celle des aciers inoxydables et sa limite élastique est environ trois à quatre fois supérieure. Il est, par ailleurs, produit à bon marché à des niveaux de pureté et de perfection sans égal (moins d'un atome d'impureté non intentionnelle par milliard). Les techniques collectives de micro‐usinage permettent l'obtention de dispositifs miniatures (plusieurs dizaines de micromètres à plusieurs millimètres) avec un très bon contrôle dimensionnel et des états de surface de grande finesse. La réalisation de transducteurs électriques fiables est possible grâce aux très bonnes propriétés piézorésistives du silicium et/ou à la maîtrise des procédés de dépôts de couches et d’assemblage hétérogène. Les principales techniques de réalisation de corps d’épreuves et de transducteurs piézorésistifs et capacitifs sont détaillés dans ce paragraphe.

HAUT DE PAGE

2.2 Corps d’épreuve

Il existe deux techniques principales pour réaliser un corps d’épreuve. La première consiste à usiner dans le volume un substrat massif afin d’obtenir la forme désirée. La seconde technique fait appel à l’usinage de surface d’une couche sacrificielle qui libère le corps d’épreuve.

HAUT DE PAGE

2.2.1 Usinage de volume

  • Le procédé le plus ancien est l’usinage mécanique. Celui‐ci est très rarement utilisé pour les capteurs miniatures compte tenu de la finesse des motifs à réaliser.

  • Le plus utilisé, qui a fait le succès des capteurs...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BLASQUEZ (G.) et al -   Static response of miniature capacitive pressure sensors with square or rectangular diaphragm.  -  Revue de Physique Appliquée, 22, p. 505-510 (1987).

  • (2) - TIMOSHENKO (S.) -   Theory of plates and shells.  -  MacGraw Hill.

  • (3) - HOPPE (K.) et al -   Integrated Mach-Zehnder interferometer pressure transducers.  -  Transducers'95, Stockholm, 25-29 juin 1995.

  • (4) - WELHAM (C.J.) et al -   A lateral resonant pressure sensor fabricated via fusion bonding, wafer thinning and reactive ion etching.  -  Eurosensors XII, Southampton, 13-16 sept. 1998.

  • (5) - SVENSSON (L.) et al -   Surface micromachined technology applied to the fabrication of a FET pressure sensor.  -  MME'95, Copenhagen, 3-5 sept. 1995.

  • (6) - KANDA (Y.) -   Piezoresistance effect of silicon.  -  Sensors and Actuators, A28, p. 83-91 (1991).

  • ...

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