FR2824636A1 - Capteur de pression microelectronique a resonateur supportant des pressions elevees - Google Patents
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Abstract
Il s'agit d'un capteur de pression microélectronique comportant un résonateur (23) réalisé à base d'un matériau cristallin solidaire de l'intérieur d'un boîtier (24) formé d'un capot (27) et d'une embase (26) à assembler l'un à l'autre. Le capot (27) et l'embase (26) sont réalisés en totalité ou en quasi-totalité à base du même matériau que le résonateur (23), la pression (Pe) à détecter s'appliquant autour du boîtier (24).
Description
lumineuse continua compose an laser accordable.
CAPTEUR DE PRESSION MICROELECTRONIQUE A RESONATEUR
SUPPORTANT DES PRESSIONS ELEVEES
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention est relative aux capteurs de pression micrcélectroniques supportant des pressions élevoes (par exemple supérieures à 108 Pa) et comportant un résonateur. Ce genre de capteur est utilisable pour mesurer des pressions dans des fluides par exemple pour des applications sous-marines ou pétrolières. Ce type de capteur est qualifié de microalectronique car il utilise les techniques de la microélectronique, ce qui
rend possible une fabrication collective.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
On se réfère aux figures 1A et 1B qui montrent un capteur de pression microélectronique classiaue comportant un résonateur en silicTum. I1 est soumis à
une pression Pe que l'on cherche à détecter.
La fréquence de résonance du résonateur varie avec la pression qui s'applique sur le capteur. I1 suffit d'exciter le résonateur en lui appliquant de l'énergie par exemple acoustique, électrostatique, optique, et de détecter une variation de sa fréquence de résonance, par exemple de manière capacitive, inductive, piézorésistive, optique, acoustique, cette variation de fréquence traduit une variation de la pression à détecter. Ni les moyens d'excitation, ni les moyens de détection de la fréquence nont été représentés pour ne pas surcharger la figure, mais ils pourraient être formés entre autre de jauges, d'électrodes, de moyens optiques, de moyens magnétiques
par exemple.
Le capteur de pression comporte un résonateur 1, généralement soumis au vide, placé dans un boîtier 2 formé d'une embase 3 en forme de diaphragme à laquelle est fixé le résonateur 1 et d'un capot 4. L'embase 3 comporte de ce fait une zone centrale amincie. Le capot 4 et l'embase 3 sont assemblés l'un à l'autre. Le boîtier 2 est placé dans une encointe 5 de protection, généralement métallique, qui le protoge de l' environnement extérieur et sur laquelle s ' applique la
pression à détecter Pe.
Le diaphragme 3 est réalisé en général dans un matériau cristallin tel que par exemple le silicium. Le capot 4 est généralement réalisé en verre, en céramique, en quartz. Le choix du matériau du capot 4 est souvent lié au procédé d' assemblage entre le
diaphragme 3 et le capot 4.
Le résonateur 1 est aussi généralement réalisé dans un matériau cristallin tel que par exemple le silicium. Le boîtier 2 est solidaire de l'enceinte 5 au niveau du diaphragme 3, de cette manière la pression à détecter Pe ne s'applique que sur une des faces principales du diaphragme 3. Une pression Po différente de la pression Pe à détecter s'applique dans l'espace 6 compris entre l'enceinte 5 et le capot 4. L'espace 6 soumis à la pression Po peut être empli dun fluide de
l'huile ou de l'air par exemple.
L'enccinte 5 possède une paroi relativement épaisse au niveau de l'espace 6 alors quau niveau du diaphragme, 3 elle est plus fine et est équipée d'un élément protecteur 7 étanche qui transmet la pression, tel une membrane ou un soufflet par exemple. Ainsi la
pression Pe à détecter s'applique sur le diaphragme 3.
Le diaphragme 3 comporte sur sa face opposée à celle qui recoit la pression à détecter Pe un évidement 8 qui vient en vis à vis de celui délimité par le capot 4, lorsque le boîtier 2 est fermé. Cet évidement 8 contribue à réduire l'épaisseur du diaphragme 3. Le résonateur 1 est montré sur la figure ls en forme de pont qui traverse l'évidement 8 et ses deux extrémités
sont solidaires du diaphragme 3.
Par évidement on entend une zone creusce dans le
matériau du diaphragme.
Ce type de capteur de pression microélectronique peut être obtenu par un procédé de réalisation
collectif avec des techniques de la microélectronique.
Sur une même plaquette de silicium, on peut réaliser en même temps plusieurs diaphragmes. La réalisation des résonateurs et leur solidarisation aux diaphragmes est également collective et la séparation des différents
capteurs ne se fait qu'après.
Les avantages sont nombreux: réduction du coût, miniaturisation et compatibilité avec les circuits électroniques associés qui traitent les informations
qu'ils délivrent.
L'inconvénient du capteur de la figure 1 est qu'il ne convient pas pour la détection de hautes pressions supérieures par exemple à 1 ou 1,5.1Oa Pa à cause de la fragilité du diaphragme. De telles pressions en s'appliquant sur la zone la plus mince du
diaphragme risquent de le briser.
En effet, la sensibilité d'un diaphragme est fonction de sa surface et est inversement proportionnelle à son épaisseur. La surface et l'épaisseur sont aussi les paramètres principaux définissant sa résistance mécanique et donc la pression maximale qu'il peut supporter. De fait, pour les hautes pressions, la résistance mécanique ne peut être obtenue que si l'on augmente son épaisseur ou que si l'on réduit sa surface. Dans tous les cas, on réduit sa sensibilité. On voit donc que la sensibilité d'un tel capteur est d'autant plus grande que la pression
maximale à laquelle il est soumis est basse.
Les contraintes qui s'appliquent sur le diaphragme 3 au niveau des zones o il est fixé au capot 4 et à l'enceinte 5 et qui sont reprécentées noircies sur la figure 1 peuvent atteindre des valeurs proches ou même supérieures à la résistance mécanique des liaisons et ces dernières peuvent se rompre. De plus, plus les contraintes mécaniques augmentent plus le capteur est soumis à des phénomènes dhystérésis qui réduisent sa stabilité à long terme. La fiabilité de tels capteurs n'est pas bonne pour des pressions élevées.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
La présente invention vise à pallier ces inconvénients. Elle a pour but de proposer un capteur de pression micrcélectronique fiable à haute pression
et dont le coût de fabrication reste peu élevé.
Pour y parvenir la présente invention est un capteur de pression microélectronique comportant un résonateur réalisé à base d'un matériau cristallin solidaire de l'intérieur d'un boîtier formé d'une embase et d'un capot. L'embase et le capot sont réalisés en totalité ou en quasitotalité à base du même matériau que le résonateur. La pression à détecter s'applique autour du boîtier. De préférence le matériau cristallin est du silicTum monocristallin mais d'autres matériaux utilisés en microélectronique tels que l'arséniure de galllum, le silicium polycristallin ou polysiliclum,
peuvent être employés.
L'embase peut comporter un cadre et une base superposés. Le résonateur est solidaire du cadre qui se trouve entre la base et le capot lorsque le boîtier est fermé. Le capot, le cadre et la base contribuent à délimiter une cavité dans laquelle est suspendu le résonateur. Les dimensions de la cavité sont petites devant
les dimensions extérieures du boîtier.
La base peut être assemblée au cadre, l'assemblage se faisant par soudure avec apport de métal ou de verre ou par soudure sans apport sous
aLmosphère oxydante.
Dans cette configuration, le cadre contribue à
délimiter l'évidement de lembase.
Dans une autre configuration, lembase peut être monobloc. Elle comporte une couche sacrificielle résiduelle entre la base et le cadre, cette couche sacrificielle contribuant à délimiter lévidement de lembase. Le boîtier peut être scellé par soudure avec apport de métal ou de verre ou par soudure sans apport
réalisée sous aLmosphère oxydante.
Le boîtier peut être entouré d'une enveloppe de protection à l'extérieur de laquelle s'applique la pression à détecter, cette enveloppe étant dotée de moyens permettant que la pression à détecter s'applique aussi à l'intérieur de l'enveloppe. Ces moyens peuvent être étanches au milieu extérieur à l'enveloppe ou au contraire être perméables
à ce milieu.
Pour améliorer la précision de la mesure, le résonateur, en plus de faire une mesure de pression,
peut faire une mesure de température.
La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un capteur de pression comportant un résonateur solidaire de lintérieur d'un
boîtier formé d'une embase et d'un capot à assembler.
l comporte les étapes suivantes: usinage du capot dans un matériau cristallin; usinage de l'embase et du résonateur réalisés en totalité ou en quasi-totalité à base du même matériau cristallin, lembase comportant une base et un cadre superposés, le cadre et le résonateur étant réalisés dun seul tenant; assemblage du capot à l'embase de manière que le
cadre se trouve entre la base et le capot.
L'assemblage du capot à l'embase peut se faire par soudure avec apport de métal ou de verre ou sans
apport sous aLmosphère oxydante.
Pour la réalisation de l'embase, il peut comporter les étapes suivantes: à partir d'une plaque composite comprenant une couche sacrificielle entre deux couches de même matériau cristallin, gravure d'ouvertures dans l'une des couches de matériau cristallin mettant à nu la couche sacrificielle pour délimiter le résonateur du cadre; élimination de la couche sacrificielle sous le résonateur pour le dégager, l'autre couche de matériau cristallin servant de base. L'élimination de la couche sacrificielle peut être suivie dune étape de lavage, elle-même suivie d'une étape de résinage pour éviter que le résonateur n'adhère à l'autre couche de matériau cristallin, puis
dune étape de retrait de la résine.
Selon une variante, le procédé peut comporter les étapes suivantes pour la réalisation de l'embase: gravure dans une plaquette de matériau cristallin d'ouvertures pour délimiter le résonateur du cadre; amincissement du résonateur; superposition et assemblage avec une autre
plaquette de même matériau cristallin formant la base.
L' assemblage peut se faire par soudure avec apport de métal ou de verre ou sans apport sous
aLmosphère oxydante.
La présente invention concerne également un dispositif de surveillance de la pression dans un puits comprenant un réseau de capteurs de pression réparti le long d'au moins une partie du puits et connecté à un dispositif de surface, les capteurs de pression étant de type microélectronique avec un résonateur réalisé à base d'un matériau cristallin solidaire de l'intérieur dun boîtier formé d'un capot et d'une embase à assembler l'un à l'autre, caractérisé en ce que le capot et l'embase sont réalisés en totalité ou en quasi-totalité à base du même matériau que le résonateur, la pression à détecter s'appliquant autour
du boîtier.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la
lecture de la description d'exemples de réalisation
donnés, à titre purement indicatif et nullement
limitatif, en faisant référence aux dessins annexés.
Les figures 1A et 1B, déjà décrites, représentent une coupe transversale d'un capteur de pression microélectronique selon l'art connu et une vue
de dessus de son embase.
Les figures 2A, 2B, 2C, 2D représentent une coupe transvereale d'un premier exemple de capteur de pression selon l' invention et des vues de dessus des différentes parties de son boîtier et une coupe transversale d'un autre exemple de capteur de pression
selon l'invention.
Les figures 3A, 3B, 3C, 3D représentent une coupe transvereale d'un autre exemple de capteur de pression selon l' invention et des vues de dessus des
différentes parties de son boîtier.
Les figures 4A, 4B, 4C, 4D représentent une coupe transversale d'un nouvel exemple de capteur de pression selon l' invention et des vues de dessus des
différentes parties de son boîtier.
Les figures 5A à 5H illustrent différentes étapes de réalisation d'un capteur de pression selon
l' invention.
La figure 6 illustre un dispositif de surveillance de la pression dans un puits conforme à
l' invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION
PARTICULIERS
On se réfère aux figures 2A, 2B, 2C. Le capteur
de pression selon l' invention est référencé 20.
Comme dans l'art antérieur le capteur 20 comporte un résonateur 23 réalisé à base d'un matériau cristallin et ce résonateur 23 est solidaire d'un boîtier 24 à ltintérieur duquel il est monté. Le boîtier 24 est formé d'une embase 26 et d'un capot 27 qui coopèrent. Mais maintenant l'embase 26 et le capot 27 sont réalisés en totalité ou en quasi-totalité à base du même matériau que le résonateur 23 et la
pression à détecter Pe s'applique autour du boîtier 24.
L'embase 26 et le capot 27 délimitent lorsqu'ils sont assemblés l'un à l'autre une cavité 25 dans laquelle est suspendu le résonateur 23. Le boîtier 24 est hermétique et dans la cavité 25 règne une pression différente de celle à détecter et de prétérence le vide. Il n'y a plus comme dans l'art antérieur, lembase formant diaphragme qui était soumise à la pression à détecter et le capot qui était soumis à une
autre pression indépendante de la pression à détecter.
Le capteur de pression 20 selon l' invention a une configuration simple ce qui le rend
particulièrement roDuste.
Le boîtier 24 est représenté placé au sein d'une
enceinte de protection 21 qui peut être métallique.
Cette enceinte de protection 21 est soumise extérieurement à la pression Pe à détecter, cette pression étant imposoe par un milieu dans lequel est plongée l'enceinte 21. Il s'agit d'un gaz ou d'un liquide, plus généralement d'un fluide. Cette encointe 21 est dotée de moyens 22.1, 22. 2 permettant que la même pression Pe puisse s'établir aussi bien à lintérieur qu'à l'extérieur. Sur la figure 2A, les moyens 22.1 sont représentés comme un capillaire qui fait communiquer l'intérieur de l'enceinte de protection 21 avec l'extérieur. Le fluide présent à lextérieur de l'enceinte de protection 21 peut
pénétrer à l'intérieur.
Si le fluide dans lequel est plongé le capteur est agressif, il est préférable qu'il ne puisse pas venir en contact avec le boîtier 24 en ne pénétrant pas à l'intérieur de l'encointe de protection 21. Les moyens 22. 2 permettant que la même pression puisse s'appliquer à l'intérieur sont alors étanches et peuvent prendre la forme d'un soufflet comme l'illustre la figure 2D. A part cette particularité, cette figure est identique à la figure 2A. Au lieu d'utiliser un soufflet, une membrane comparable à celle référencée 7
sur la figure 1A aurait pu être utilisoe.
Le boîtier 24 est maintenu à l'intérieur de l'encointe de protection 21 à l' aide d'un support 30 qui autorise l'établissement homagène de la pression à
détecter Pe autour du boîtier 24.
En s'appliquant tout autour du boîtier 24 la pression Pe à détecter a pour effet de le faire travailler, de manière sensiblement uniforme en compression. Dans les capteurs de pression o la pression ne s'appliquait qu'au niveau de l'embase formant diaphragme, cette embase et le capot travaillaient en tension et les zones de liaison communes étaient soumises à de très fortes
concentrations de tension.
I1 faut garder à l' esprit que le capteur peut travailler à haute température, par exemple pour des applications pétrolières la température atteint les C voire plus. Dans ces conditions les contraintes différentielles dans les zones de liaison communes sont
plus importantes qu'à température plus basse.
Les dimensions de la cavité 25 accueillant le résonateur 23 sont choisies petites devant les dimensions extérieures du boîtier 24 de manière à ce que la cavité 25 ait une influence pratiquement négligeable sur les propriétés élastiques du boîtier 24
qui peut être alors considéré comme une pièce massive.
Sur les figures 2, on suppose que l'embase 26 est monobloc mais qu'elle comporte une couche sacrificielle résiduelle 33 en sandwich entre deux couches du matériau cristallin de même type que celui du résonateur 23 et du capot 27, la couche sacrificielle étant généralement en oxyde du matériau cristallin. La présence de cette couche sacrificielle résiduelle 33 justifie le terme " quasi-totalité ". Des détails sur cette structure particulière seront donnés ultérieurement. L'embase 26 peut aussi être en plusieurs parties
assemblées comme ltillustrent les figures 4.
Les figures 2B et 2C montrent le capot 27 et l' embase 26 respectivement en vue de dessus. L' embase 26 et le capot 27 comportent chacun un évidement 28, 29 respectivement, situé dans une zone centrale. Ces deux évidements 28, 29 se trouvent en vis à vis lorsque le capot et l'embase sont scellés et ils délimitent la
cavité 25.
Le résonateur 23 est dans cet exemple en forme de pont avec ses deux extrémités solidaires de l'embase 26. Il se trouve suspendu en travers de la cavité 25. Lorsque l'embase 26 est assemblée au capot 27, le résonateur 23 est sans contact avec ces derniers à
lexception de ses extrémités fixées à l'embase 26.
D'autres formes de résonateur 23 sont possibles,
certaines ont été illustrées aux figures 3 et 4.
Le résonateur 23, l'embase 26 et le capot 27 sont réalisés en quasitotalité à base du même matériau cristallin. Ce matériau sera avantageusement du siliclum monocristallin qui possède des propriétés mécaniques intéressantes: une bonne stabilité dimensionnelle lice au faible coefficient de dilatation et des propriétés élastiques reproductibles et peu
dépendantes de la température.
D'autres matériaux cristallins pourraient être utilisés, il s'agit des matériaux utilisés en microélectronique et disponibles en plaquettes tels que
le polysilicium, l'arséniure de gallium par exemple.
Il apparaît peu de phénomène d'hystérésis dans le cas o les différentes parties du boîtier sont en
matériau monocristallin.
Le scellement du boîtier 24 se fait en assemblant le capot 27 et l'embase 26. Cet assemblage peut se faire par soudure avec apport de verre ou de métal par exemple de l'étain, de l'or, par soudure sans apport réalisce sous aLmosphère oxydante. Cette dernière technique d'assemblage est plus particulièrement utilisable pour le siliclum. La soudure se fait par diffusion d'oxyde à l' interface entre les deux parties à assembler. Elle est d'excellente qualité et d'une résistance équivalente à
celle du siliclum.
La technique d'assemblage sans apport est particulièrement avantageuse car elle ne génère pas de
contraintes mécaniques propres.
Le silicium monocristallin a un coefficient d'élasticité qui permet qu'une pression d'au moins 107 Pa puisse générer des effets mesurables sur une pièce
massive ou quasiment massive.
Un capteur selon l' invention possède une bonne stabilité et une bonne reproductibilité, ces qualités étant liées aux propriétés mécaniques du matériau cristallin emplayé. Le siliclum monocristallin possède une pureté élevoe et un taux de dislocation bas ce qui
est très favorable.
Dans les capteurs de pression classiques avec diaphragme, l'épaisseur du diaphragme devait être particulièrement bien maîtrisoe pour conserver la reproductibilité souhaitée, cette épaisseur est de l'ordre de 100 micromètres. Ce n'est plus le cas
puisque l'embase est maintenant massive.
Un tel capteur peut supporter des surpressions relativement importantes puisqu'il travaille dans son ensemble en compression et que les contraintes sont
réparties sensiblement uniformément autour du boîtier.
I1 possède une sensibilité acceptable avec des pressions de l'ordre de 103 à 109 Pa, ces pressions sont 10 à 100 fois plus élevoes que celles que les capteurs
classiques peuvent détecter.
La sensibilité d'un tel capteur est bonne car en répartissant les contraintes tout autour du boîtier, on augmente la surface d'échange capteur pression et on
peut limiter l'épaisseur du boîtier.
On va voir maintenant des variantes du capteur de pression selon l' invention. On se réfère aux figures
3A à 3D.
Le capteur 20 est représenté en coupe transversale sur la figure 3A. L'enccinte de protection n'a pas été représentée. On retrouve comme sur la figure 2A, le boîtier 24 avec une embase 26 et un capot 27 équipés chacun d'un évidement 28, 29 respectivement, ces évidements contribuant à délimiter la cavité 25. Le
capot 27 est représenté sur la figure 3B.
Pour réaliser le capot 27, on part d'une plaquette de matériau cristallin dans lequel on grave
l'évidement 29.
Quant à l'embase 26, on la voit en vue de dessus sur la figure 3C et en coupe selon l'axe AA sur la figure 3D. La figure 3C permet de voir qu'elle coopère
avec le résonateur 23.
L'embase 26 est formée d'un cadre 26.1, d'une base 26.2 superposés l'un sur l'autre et d'une mince couche sacrificielle résiduelle 33, généralement en oxyde du matériau cristallin insérée entre la base 26.2 et le cadre 26.1. Le résonateur 23 est solidaire du cadre 26.1. La couche sacrificielle résiduelle 33
comporte l'évidement 28 et la base 26.2 est massive.
La présence de la couche sacrificielle résiduelle 33 est lice au procédé de réalisation conjointe du résonateur 23, du cadre 26.1 et de la base
26.2. Ce procédé est illustré aux figures 5.
On part d'une plaquette composite comportant deux couches 51, 52 de même matériau cristallin prenant en sandwich une couche sacrificielle 53 en oxyde du matériau cristallin. Si le matériau cristallin est du silicium la plaquette est connue sous la dénomination de SOI (abréviation anglosaxonne de Silicon On Insulator pour silicium sur isolant). Une telle plaquette comporte donc un substrat de silicium 52 revêtu d'un film mince d'oxyde de siliclum 53 sur lequel repose un film supérieur 51 de siliclum. Le substrat 52 va servir de base 26.2, le film mince doxyde 53 de couche sacrificielle résiduelle 33 et le film supérieur de silicTum 51 de cadre 26.1 et de
résonateur 23.
On commence par déposer de la résine photosensible 50 sur le film supérieur 51, on linsole et on la développe de manière à pouvoir y transférer par lithagraphie le motif du résonateur 23 à graver (figure 5A) . On grave ensuite dans le film supérieur 51 le contour du résonateur 23, la résine 50 servant de masque. Cette opération peut se faire par plasma. Sur la figure 5B la gravure a été réalisoe et la résine 50 retirée. La partie du film supérieur 51 se trouvant autour du résonateur 23 forme le cadre 26.1. Des ouvertures 32 sont faites dans le film supérieur 51
pour délimiter le résonateur 23.
On doit ensuite réaliser l'évidement 28 de lembase 26 dans la couche d'oxyde 53 de manière à libérer le résonateur 23, il sera alors suspendu dans la cavité. Il ne reste que la couche sacrificielle résiduelle 33 autour de l'évidement 2S, elle se trouve en sandwich entre le cadre 26.1 et la base 26.2 (figure C). Le retrait de l'oxyde pour dégager le résonateur 23 peut se faire par gravure chimique avec de l'acide, par exemple fluorhydrique HF non dilué. La gravure s'effectue de manière isotrope. L'acide ne dissout que l'oxyde mais pas le matériau cristallin, le substrat 52
qui forme la base 26.2 n'est pas attaqué.
La libération du résonateur 23 pourrait se faire par un traitement hydrophile par exemple un rinçage
avec de l'alcool isopropyl ou par sublimation.
I1 faut ensuite rincer et sécher l'embase 26 et le résonateur 23 ainsi obtenus (figure 5D). Le rinçage peut se faire avec de l'eau désionisée éventuellement
additionnce de solvant acide.
Mais l'épaisseur du résonateur 23 est très faible et, si sa rigidité nest pas suffisante pour contrebalancer les forces attractives liées aux tensions de surface, le liquide de rinçage en s'évacuant risque de l'attirer par capillarité sur la base 26.2. S'ils se collent l'un à l'autre l'ensemble
embase-résonateur est inutilisable.
Pour éviter cet inconvénient, on peut effectuer une étape de résinage après le rincage. Cette étape se fait en remplaçant progressivement le liquide de rinçage par de la résine 54 sans quitter la phase liquide. En se solidifiant la résine 54 enrobe le résonateur 23 et occupe tout l'espace libéré par la dissolution de l'oxyde (figure 5E). Le retrait de la résine 54 peut se faire par plasma (figure 5F). La solution d'attaque chimique de l'oxyde est choisie pour
être compatible avec le résinage.
Une fois que l'embase 26 associée au résonateur 23 a été réalisée, elle peut être assemblée au capot 27 pour encapsuler le résonateur 23. Le capot 27 a été usiné séparément pour réaliser l'évidement 29 (figure 5G) à partir d'une plaquette de même matériau cristallin. Cet assemblage peut se faire par une des techniques de soudage décrites précédemment (figure H). On peut maintenir la cavité 25 dans laquelle se
trouve le résonateur 23 sous vide.
Dans l'exemple décrit et illustré à la figure 3C, le résonateur 23 comporte un élément 23.1 en pont dont les deux extrémités sont relices au cadre 31 et un élément cantilever 23.2 dont une extrémité est reliée au cadre 31 et dont l'autre extrémité est libre. Une telle structure avec l'élément cantilever 23.2 permet de mesurer à la fois des variations de pression et des variations de température ce qui donne par compensation
une meilleure précision sur la mesure de la pression.
La configuration du résonateur de la figure 2C ne
permettait pas cette double mesure.
Les figures 4A à 4D illustrent une autre
variante dun capteur 20 de pression selon l' invention.
Il est vu en coupe transversale sur la figure 4A.
L'encointe de protection n'a pas été représentée. Ce capteur de pression comporte un boîtier 24 formé d'un capot 27 et d'une embase 26. L'embase 26 est formoe dune base 34 et d'un cadre 31 empilés l'un sur l'autre et assemblés. Le cadre 31 est solidaire du résonateur 23. Le cadre 31 et la base 34 sont réalisés dans le même matériau que le capot 27. L'embase 26 et le capot 27 sont réalisés dans le même matériau que le
résonateur 23.
Le capot 27 comporte un évidement 29. Dans cette variante, la base 34 est réalisée dans une première plaquette de matériau cristallin, le cadre 31 est réalisé dans une seconde plaquette du même matériau et le capot 27 dans une troisième plaquette du même matériau. Dans la seconde plaquette, on grave des ouvertures 32 pour configurer le résonateur 23, et on l'amincit en attaquant la surface qui se trouvera face à la base 34 (figure 4C). Dans la troisième plaquette on grave ltévidement 29 (figure 4B). La première plaquette ne subit pas de gravure pour réaliser la base
34, elle reste sensiblement plane (figure 4D).
Le cadre 31 est plus épais que celui de lexemple précédent. Les ouvertures 32 du cadre 31 et lamincissement contribuent à réaliser l'évidement 23 de l'embase 26. Le cadre 31 est même représenté chanfreiné au niveau des ouvertures 32 sur sa face assemblée à la base 34 pour indiquer l'effet de la gravure chimique anisotrope (figure 4A). Cette
caractéristique est optionnelle.
Une fois que le cadre 31 associé au résonateur 23 est obtenu, il peut être assemblé d'une part à la base 34 et d'autre part au capot 27 par une des
méthodes de soudure décrites précédemment.
Sur la figure 4C, le résonateur 23 est représenté comme deux diapasonsface à face. Ils sont en forme de fourche avec chacun un manche et deux branches. Une branche de l'un est relié à une branche
de l'autre. Leur autre branche a une extrémité libre.
Leurs manches sont solidaires du cadre 31. Cette structure permet également une double mesure de
variation de température et de variation de pression.
Sur les figures 2, 3, et 4, ni les moyens d' excitation, ni les moyens de détection de la fréquence n'ont été représentés pour ne pas surcharger les figures, ils sont tout à fait classiques pour un
homme du métier.
Une pluralité de capteurs de pression peut être fabriquée de manière collective simultanément en partant de plaquettes de matériau cristallin approprié, en les superposant et en les assemblant après avoir réalisé en plusieurs endroits simultanément les différentes actions de gravure et de retrait décrites précédemment. Il suffit ensuite de séparer les
différents capteurs de pression ainsi obtenus.
Dans les exemples décrits, on a précisé certains procédés de gravure et de retrait. Ces procédés ne sont pas limitatifs de l' invention. Les gravures visant à réuliser les évidements ou les ouvertures, le retrait de l'oxyde sacrificiel peuvent être réalisés par différents procédés pris seuls ou en combinaison tels que la gravure chimique, la gravure par plasma, la
gravure mécanique par exemple.
Les capteurs obtenus sont roLustes et simples et ils peuvent être fabriqués avec un meilleur rendement et un coût plus bas qu' avant. Les dessins des résonateurs des exemples décrits ne sont pas limitatifs, d'autres sont envisageables sans sortir du cadre de l' invention. I1 en est de même pour les structures d'embases associées aux dessins de résonateurs. La présente invention concerne également un dispositif de surveillance de la pression dans un puits comprenant un réseau de capteurs de pression réparti long d'au moins une partie du puits et connecté à un dispositif de surface. Les capteurs de pression sont tels que ceux décrits précédemment. Un tel dispositif est illustré à la figure 10. Le puits référencé 100 peut être un puits pétrolier de type quelconque puits profond, puits de faible diamètre, puits latéral, puits multiple. Les capteurs de pression référencés 101 montés en réseau sont placés dans le puits 100. Les capteurs sont reliés à un même dispositif de surface 102 via au moins un câble de communication 103. Le dispositif de surface 102 communique avec les capteurs 101, il commande leur excitation et recueille ce qu'ils détectent.
Claims (16)
1. Capteur de pression microélectronique comportant un résonateur (23) réalisé à base d'un matériau cristallin solidaire de l'intérieur d'un boîtier (24) formé d'un capot (27) et d'une embase (26) à assembler l'un à l'autre, caractérisé en ce que le capot (27) et l'embase (26) sont réalisés en totalité ou en quasi-totalité à base du même matériau que le résonateur (23), la pression (Pe) à détecter
s'appliquant autour du boîtier (24).
2. Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau cristallin est choisi parmi le silicium monocristallin, le polysiliclum,
l'arséniure de gallium.
3. Capteur de pression selon l'une des
revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le capot
(27) et l'embase (26) comportent chacun un évidement (28, 29) contribuant à délimiter une cavité (25) dans
laquelle est suspendu le résonateur (23).
4. Capteur de pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que les dimensions de la cavité (25) sont petites devant les dimensions extérieures du
boîtier (24).
5. Capteur de pression selon l'une des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'embase
(26) comporte une base (26.2, 34) et un cadre (26.1, 31) superposés, le résonateur (23) étant solidaire du cadre (26.1, 31), le cadre (26.1, 31) se trouvant entre le capot (27) et la base (26.2, 34) lorsque le boîtier
(24) est fermé.
6. Capteur de pression selon la revendication 5, caractérisé en ce que la base (34) est assemblée au cadre (31), l'assemblage se faisant par soudure avec apport de métal ou de verre ou par soudure sans apport
réalisée sous aLmosphère oxydante.
7. Capteur de pression selon l'une des
revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le cadre
(31) contribue à délimiter l'évidement (28) de l'embase (26). 8. Capteur de pression selon la revendication 5,
caractérisé en ce que l'embase (26) est monobloc.
9. Capteur de pression selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'embase (26) comporte une couche sacrificielle résiduelle (33) entre la base (26.2) et le cadre (26.1), cette couche sacrificielle (33) contribuant à délimiter l'évidement (28) de l'embase (26). 10. Capteur de pression selon l'une des
revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le boîtier
(24) est scellé par soudure avec apport de métal ou de verre ou par soudure sans apport réalisée sous
aLmosphère oxydante.
11. Capteur de pression selon l'une des
revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le boîtier
(24) est entouré d'une enveloppe de protection (21) à lextérieur de laquelle s'applique la pression à détecter (Pe), cette enveloppe (21) étant dotée de moyens (22.1, 22.2) permettant que la pression à détecter (Pe) s'applique aussi à l'intérieur de
l'enveloppe (21).
12. Capteur de pression selon la revendication 11, caractérisé en ce que ces moyens (22.2) sont
étanches au milieu extérieur à l'enveloppe (21).
13. Capteur de pression selon la revendication 11, caractérisé en ce que ces moyens (22.1) sont
perméables au milieu extérieur à l'enveloppe (21).
14. Capteur de pression selon l'une des
revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le
résonateur (23) est apte à faire une mesure de température. 15. Procédé de réalisation dun capteur de pression comportant un résonateur (23) solidaire de ltintérieur d'un boltier (24) formé d'une embase (26) et d'un capot (27) à assembler, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: usinage du capot (27) dans un matériau cristallin; usinage de l'embase (26) et du résonateur (23) réalisés en totalité ou en quasi totalité à base du même matériau cristallin, l'embase (26) comportant une base (26.2, 34) et un cadre (26.1, 31) superposés, le cadre (26.1, 31) et le résonateur (23) étant réalisés d'un seul tenant; assemblage du capot (27) à l'embase (26) de manière que le cadre (26.1, 31) se trouve entre la base
(26.2, 34) et le capot (27).
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'assemblage du capot (27) à l'embase (26) se fait par soudure avec apport de métal
ou de verre ou sans apport sous atmosphère oxydante.
17. Procédé selon l'une des revendications 15 ou
16, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes pour réaliser l'embase (26), à partir d'une plaque composite comprenant une couche sacrificielle (53) entre deux couches (51, 52) de méme matériau cristallin, gravure d'ouvertures (32) dans l'une des couches de matériau cristallin (51) mettant à nu la couche sacrificielle (53) pour délimiter le résonateur (23) du cadre (26.1); élimination de la couche sacrificielle (53) sous le résonateur (23) pour dégager le résonateur, l'autre couche (52) de matériau cristallin servant de base
(26.2).
l8. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que l'élimination de la couche sacrificielle (53) est suivie d'une étape de lavage elle même suivie d'une étape de récinage pour éviter que le résonateur (23) n'adhère à l'autre couche (52) de matériau cristallin, puis dune étape de retrait de
la résine (54).
19. Procédé selon l'une des revendications 15 ou
16, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes pour réaliser l'embase (26), gravure dans une plaquette de matériau cristallin d'ouvertures (32) pour délimiter le résonateur (23) du cadre (31), amincissement du résonateur (23); superposition et assemblage avec une autre plaquette de même matériau cristallin formant la base (34). 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'assemblage se fait par soudure avec apport de métal ou de verre ou sans apport sous
aLmosphère oxydante.
21. Dispositif de surveillance de la pression dans un puits (100) comprenant un réseau de capteurs (101) de pression réparti le long d'au moins une partie du puits (100) et connecté à un dispositif de surface (102), les capteurs (101) de pression étant de type microélectronique avec un résonateur réalisé à base dun matériau cristallin solidaire de lintérieur d'un boîtier formé d'un capot et d'une embase à assembler ltun à l'autre, caractérisé en ce que le capot et l'embase sont réalisés en totalité ou en quasi-totalité à base du même matériau que le résonateur, la pression
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