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RÉSUMÉ
La microélectronique a apporté de grandes avancées au capteur, à la fois en fonctionnalités et en coût. Cet article présente les matériaux utilisables en microélectronique, et notamment le silicium. Puis il détaille les technologies de micro-usinage collectif utilisables pour produire ces capteurs. Les propriétés et les applications sont ensuite détaillées pour les capteurs micro-usinés et non micro-usinés.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Alfred PERMUY : Ancien élève de l’École normale supérieure - Docteur en Physique - Directeur technique SAFT Power Systems
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Éric DONZIER : Ingénieur ESIEE - Directeur de recherche Schlumberger
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Fadhel REZGUI : Docteur en Physique - Responsable Technologie capteurs Schlumberger
INTRODUCTION
La plupart des systèmes de contrôle sont constitués d’une chaîne de trois organes fonctionnellement différents :
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les capteurs qui prélèvent l’information et la convertissent en grandeur électrique ;
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la structure de traitement électronique des signaux numérique ou analogique ;
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les moteurs qui se chargent d’agir sur l’environnement ou d’informer l’opérateur humain.
Avec l’évolution considérable des performances et la réduction des coûts de fabrication des électroniques de traitement (essentiellement liées aux microprocesseurs), les capteurs sont devenus, dans les années 1970, des produits stratégiques conditionnant dans une large mesure le prix de revient et l’efficacité des systèmes de contrôle. De plus, l’augmentation des performances (impliquant des compensations de dérives thermiques et des linéarisations du signal) et la nécessaire réduction du coût d’interfaçage avec l’organe de traitement (conduisant à une numérisation et au contrôle d’un bus de communication) imposent d’associer au capteur proprement dit une électronique comportant des circuits analogiques et numériques. L’ensemble constitue un capteur intelligent.
La problématique du capteur peut alors se résumer dans les objectifs :
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réduction du coût ;
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compatibilité avec les circuits électroniques ;
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miniaturisation.
Les techniques de la microélectronique apportent une réponse basée sur la nature collective des procédés (d’où les faibles coûts), la réduction des dimensions et les possibilités de réalisation sur un même support du capteur et de son électronique.
Il faut souligner que l’aspect fédérateur de ces techniques est essentiel ; du fait de leur grande diversité et des marchés encore faibles, les capteurs ne peuvent justifier un investissement de production spécifique qui ne pourrait être amorti. Il est fondamental, et cela au détriment des performances, de s’accommoder des moyens de production déjà maîtrisés.
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4. Applications des structures micro-usinées
4.1 Capteurs de pression
Beaucoup de ces capteurs sont constitués d’une membrane de silicium de quelques dizaines de micromètres et de dimensions latérales de 1 à 5 mm. La différence de pression entre les deux faces est détectée, soit par la mesure des contraintes à l’encastrement avec des jauges piézorésistives diffusées, soit par l’évaluation de la déformation en utilisant une structure capacitive. Des principes concurrents exploitent des effets non linéaires induisant une variation de fréquence de résonance de la membrane ou d’une structure associée (pont vibrant).
Plusieurs procédés peuvent être utilisés pour la réalisation de la membrane :
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attaque anisotrope de la face arrière du substrat et contrôle de l’épaisseur de la membrane à partir de la vitesse et du temps de gravure. En face avant, d’éventuelles tranchées de profondeur contrôlée (égale à l’épaisseur de la membrane désirée) permettent une détection visuelle de la fin de gravure (figure 11) ;
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attaque face arrière et arrêt sur une couche fortement dopée bore (figure 12). Cette zone diffusée depuis la face avant peut éventuellement être recouverte d’une couche de silicium réalisée par épitaxie (préalablement à la gravure) ;
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attaque électrochimique du substrat et arrêt sur une couche épitaxiée polarisée (figure 8).
Dans le cas d’une détection piézorésistive (figure 13), les résistances sont diffusées et connectées en pont de Wheatstone par des métallisations aluminium ; ces étapes correspondent à des procédés tout à fait classiques qui sont mis en œuvre avant la gravure profonde.
Pour réaliser une détection capacitive, une plaque de verre supportant une contre-électrode capacitive en retrait est rapportée par soudure électrostatique (figure 14). Si la pièce en verre est percée (mécaniquement ou chimiquement),...
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