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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 ;
-
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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3. Techniques d’assemblage
3.1 Problématique
Pour la réalisation de structures complexes, il est souvent nécessaire de réaliser l’assemblage de deux substrats de même nature ou de natures différentes. À titre d’exemple, citons la réalisation de cavités hermétiques (pour des capteurs de pression absolue ou des gyromètres acoustiques), l’obtention d’une structure capacitive par mise en regard d’une électrode mobile et d’une électrode fixe (accéléromètres, capteurs de pression, microphones…) ou bien l’assemblage du capteur proprement dit et d’une structure de découplage vis-à-vis des contraintes mécaniques extérieures (encapsulation intermédiaire utilisée par des accéléromètres et des capteurs de pression piézorésistifs).
Le procédé d’assemblage doit répondre aux exigences suivantes :
-
mettre en œuvre des matériaux de coefficients de dilatation voisins ;
-
pouvoir être réalisé de manière collective ;
-
faire intervenir des conditions opératoires, en particulier la température, ne conduisant pas à la dégradation des structures déjà réalisées (par exemple, d’éventuelles métallisations aluminium) ;
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permettre l’alignement (la superposition) avec une précision suffisante, en général quelques micromètres, des motifs réalisés dans les deux substrats à assembler ;
-
garantir une bonne stabilité de l’assemblage dans le temps et pour des températures de – 55 à + 125 oC.
3.2 Colles
Les colles ne peuvent en général être utilisées pour réaliser l’assemblage. Elles présentent les inconvénients suivants :
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difficulté d’obtenir une bonne homogénéité sur des surfaces importantes de l’ordre de 80 cm2 pour des substrats usuels, d’où l’impossibilité de réaliser des assemblages collectifs ;
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l’épaisseur de colle mal maîtrisée et souvent importante (de l’ordre de 50 µm) conduit à des défauts de parallélisme et ne permet pas des réalisations...
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