FR2851821A1 - Dispositif de detection de pression - Google Patents
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Abstract
Un dispositif de détection de pression comprend un substrat de semiconducteur (30, 200, 300, 400) destiné à fournir en sortie un signal électrique correspondant à une pression appliquée reçue d'un élément de transmission de pression (20) qui présente des propriétés électriquement conductrices, disposé sur la surface avant du substrat de semiconducteur (30, 200, 300, 400). Le substrat (30, 200, 300, 400) et l'élément de transmission de pression (20) sont logés dans un boîtier (10). Un élément de conducteur (50) électriquement indépendant du boîtier (10) est logé dans le boîtier (10) au niveau du côté de la surface arrière du substrat de semiconducteur (30, 200, 300, 400), et l'élément de conducteur (50) ainsi qu'une électrode (35b) du substrat (30, 200, 300, 400) sont reliés électriquement l'un à l'autre par l'intermédiaire d'un matériau adhésif conducteur (40). Le boîtier (10) comprend de préférence une première partie (101), une seconde partie (102) présentant une conductivité thermique plus petite que la première partie, et une partie de cloison électriquement conductrice (103).
Description
DISPOSITIF DE DETECTION DE PRESSION
DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte d'une façon générale à un 5 dispositif de détection de pression et plus particulièrement à un dispositif de détection de pression comprenant un substrat de semiconducteur en tant qu'élément de détection de pression et un élément de transmission de pression pour transmettre la pression vers le substrat de semiconducteur, l'élément de détection de 10 pression et l'élément de transmission de pression étant reçus dans un boîtier.
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION Un substrat de semiconducteur présentant un effet 15 piézoélectrique fournit en sortie un signal électrique en fonction de la pression appliquée dans une *direction d'espacement entre les surfaces à la fois avant (supérieure) et arrière du substrat de semiconducteur, c'est-à-dire dans le sens de l'épaisseur du substrat de semiconducteur. Une variation de 20 résistance du substrat de semiconducteur qui correspond à une déformation provoquée par une application de pression est utilisée pour mesurer la pression.
Les documents JP-A-7-253 364, JP-A-7-19 981 et le brevet japonais NO 3 166 015 décrivent des dispositifs de détection de 25 pression qui comprennent un substrat de semiconducteur comme élément de détection de pression. Dans ces dispositifs de détection de pression, un substrat de semiconducteur et un élément de transmission de pression destinés à transmettre une pression vers le substrat de semiconducteur sont logés dans un 30 boîtier métallique. En outre, la surface avant du substrat de semiconducteur est équipée d'une électrode de détection, la périphérie extérieure du substrat de semiconducteur est équipée d'un élément de conducteur et l'électrode ainsi que l'élément de conducteur sont reliés l'un à l'autre par une liaison par fil 35 pour recevoir un signal.
Lorsqu'un tel dispositif de détection de pression tel que celui décrit cidessus est appliqué à un capteur de pression de combustion destiné à un moteur, la partie de logement de l'élément de transmission de pression du boîtier est insérée 40 dans un trou du bloc-moteur, et la pression dans la chambre de 2 2851821 combustion est reçue par l'élément de transmission de pression et transmise au substrat de semiconducteur afin de détecter ainsi la pression.
Les exigences de conception actuelles imposent que les 5 moteurs soient compacts et légers. En conséquence, l'espace de montage du dispositif de détection de pression doit également être de taille réduite. Pour cette raison, il est également nécessaire de réduire le diamètre (la taille) du dispositif de détection de pression, c'est-à-dire le diamètre (la taille) du 10 boîtier.
Cependant, le dispositif de détection de pression classique présente une contrainte qui a empêché une réduction de la taille du boîtier. Plus particulièrement, dans le dispositif de détection de pression classique tel que décrit ci-dessus, comme 15 l'élément de semiconducteur et l'élément de conducteur sont liés l'un à l'autre par une liaison par fil, l'élément de conducteur est situé à la périphérie extérieure du substrat de semiconducteur. Pour cette raison, la partie de liaison par fil contenant l'élément de conducteur est de taille plus grande que 20 le substrat de semiconducteur, et le diamètre du boîtier est défini par la taille de la partie de liaison par fil, qui est la plus grande des pièces logées dans le boîtier. Plus précisément, le diamètre minimum du boîtier est contraint par la taille de la partie de liaison par fil. Cependant, comme la partie de liaison 25 par fil est plus grande que le substrat de semiconducteur, une restriction est imposée à la réduction de taille du dispositif de détection de pression.
En ce qui concerne ce problème, l'inventeur a effectué une expérimentation en concevant le dispositif de détection de 30 pression pour inclure des électrodes équipant les surfaces avant et arrière du substrat de semiconducteur. De même, le substrat de semiconducteur était pris en sandwich par une partie du boîtier métallique et des éléments de conducteurs. En conséquence, aucune liaison par fil ne devait être nécessaire 35 pour la sortie de connexion des électrodes sur à la fois les surfaces avant et arrière concernées et la taille (le diamètre) du boîtier a pu être réduite.
Avec cette conception, pour pouvoir établir une conductivité électrique, le boîtier au niveau du côté de la surface avant du 40 substrat de semiconducteur, c'est-à-dire le boîtier au niveau du s 4 côté recevant la pression du substrat de semiconducteur, doit être formé de métal. Plus particulièrement, si le boîtier entier est formé de métal, on pourrait simplement s'attendre à pouvoir choisir une conception de sortie de connexion d'électrodes du 5 type substrat de semiconducteur pris en sandwich. Cependant, si le boîtier entier est formé de métal, dans le cas du capteur de pression de combustion qui est décrit ci-dessus ou autre, une première extrémité du boîtier est exposée à un environnement de mesure à haute température dans une chambre de combustion ou 10 autre et la forte chaleur de la chambre de combustion ou autre est transmise par l'intermédiaire du boîtier au substrat de semiconducteur relié à une partie du boîtier. Pour cette raison, le substrat de semiconducteur passe à une haute température, ce qui peut provoquer une erreur de fonctionnement et conduire à 15 des difficultés de fonctionnement.
Claims (20)
1. Dispositif de détection de pression comprenant un substrat de semiconducteur (30, 200, 300, 400) destiné à 5 fournir en sortie un signal électrique conformément à une pression appliquée dans le sens de l'épaisseur du substrat de semiconducteur, un élément de transmission de pression (20) qui équipe le côté de la surface avant du substrat de semiconducteur et qui 10 transmet une pression au côté de la surface avant du substrat de semiconducteur, et un boîtier (10) dans lequel le substrat de semiconducteur et l'élément de transmission de pression sont logés, caractérisé en ce que: l'élément de transmission de pression présente des propriétés électriquement conductrices, le substrat de semiconducteur comporte une première électrode (35a) sur la surface avant de celui-ci et une seconde électrode (35b) sur la surface arrière de celui-ci, le signal 20 électrique étant fourni en sortie par l'intermédiaire de la première électrode et de la seconde électrode lorsque la pression est appliquée, la première électrode est électriquement reliée à l'élément de transmission de pression, un élément de conducteur (50) électriquement indépendant du boîtier est logé dans le boîtier au niveau du côté de la surface arrière du substrat de semiconducteur, et l'élément de conducteur et la seconde électrode sont reliés électriquement l'un à l'autre.
2. Dispositif de détection de pression selon la revendication 1, dans lequel la première électrode (35a) est disposée à la partie périphérique sur la surface avant du substrat de semiconducteur (30), la pression provenant de 35 l'élément de transmission de pression (20) est transmise à la partie centrale sur la surface avant du substrat de semiconducteur, et la première électrode ainsi que l'élément de transmission de pression sont reliés électriquement l'un à l'autre par l'intermédiaire d'un matériau adhésif conducteur 40 (40).
3. Dispositif de détection de pression selon la revendication 2, dans lequel la première électrode (35a) est conçue en forme d'anneau.
4. Dispositif de détection de pression selon la revendication 1, dans lequel: le substrat de semiconducteur est un substrat de silicium de type N (30) présentant une direction de plan correspondant au plan (110), la pression provenant de l'élément de transmission de pression (20) est transmise à la partie centrale de la surface avant du substrat de semiconducteur, une première couche de diffusion de type N (31) équipe une partie périphérique sur la surface avant du substrat de 15 silicium, le substrat de semiconducteur comprend une couche de jauge à diffusion de type P (32) qui est formée de façon continue sur celui-ci de façon à s'étendre depuis un voisinage de la première couche de diffusion de type N en passant par la partie centrale 20 du substrat de silicium de type N jusqu'à l'autre partie périphérique, une seconde couche de diffusion de type N (33) équipe la surface arrière du substrat de silicium de type N, la couche de jauge à diffusion de type P est reliée 25 électriquement à la première électrode (35a) au niveau de l'autre partie périphérique sur la surface avant du substrat de silicium de type N, la seconde couche de diffusion de type N est reliée électriquement à la seconde électrode (35b) sur la surface 30 arrière du substrat de silicium de type N, une troisième électrode (35c) destinée à relier électriquement la première couche de diffusion de type N, et la couche de jauge à diffusion de type P équipe la partie périphérique sur la surface avant du substrat de silicium de 35 type N.
5. Dispositif de détection de pression selon la revendication 4, dans lequel la couche de jauge à diffusion de type P (32) est de forme telle que la direction longitudinale de 40 la résistance se trouve le long de la direction de l'axe du cristal <110> du substrat de silicium de type N au niveau de la partie centrale sur la surface avant du substrat de silicium de type N (30).
6. Dispositif de détection de pression selon la revendication 1, dans lequel: le substrat de semiconducteur est un substrat de silicium de type P (200) présentant une direction de plan correspondant au plan (110), la pression provenant de l'élément de transmission de pression (20) est transmise à la partie entière sur la surface avant du substrat de silicium de type P (200), une première couche de diffusion de type P (201) reliée électriquement à la première électrode (35a) équipe la surface avant du substrat de silicium de type P, une seconde couche de diffusion de type P (202) reliée électriquement à la seconde électrode (35) équipe la surface arrière du substrat de silicium de type P, et la première couche de diffusion de type P et la seconde 20 couche de diffusion de type P sont respectivement disposées au niveau d'une partie périphérique et de l'autre partie périphérique qui sont opposées l'une à l'autre par l'intermédiaire de la partie centrale du substrat de silicium de type P le long de la direction d'axe de cristal <110>. 25
7. Dispositif de détection de pression selon la revendication 6, dans lequel le substrat de silicium de type P (200) est conçu suivant une forme plane rectangulaire de manière à ce que la direction de l'axe de cristal <110> de celui-ci soit 30 le long d'une direction en diagonale du substrat de silicium de type P, et la première couche de diffusion de type P (201) ainsi que la seconde couche de diffusion de type P (202) sont opposées l'une à l'autre le long de la direction en diagonale du substrat de silicium de type P.
8. Dispositif de détection de pression selon la revendication 1, dans lequel: le substrat de semiconducteur est un substrat de silicium de type P (300) présentant une direction de plan correspondant au 40 plan (110), la pression provenant de l'élément de transmission de pression (20) est transmise à la partie centrale sur la surface avant du substrat de silicium de type P (300), une couche de jauge à diffusion de type P (301) reliée 5 électriquement à la première électrode (35a) au niveau d'une partie périphérique du substrat de silicium de type P est située sur la surface avant du substrat de silicium de type P, la couche de jauge à diffusion de type P est mise en forme de façon à s'étendre depuis la partie périphérique sur la 10 surface avant du substrat de silicium de type P vers l'autre partie périphérique, le long de la direction de l'axe du cristal <110>, une couche de diffusion de type N (302) reliée électriquement à la première électrode est formée au niveau de 15 la partie périphérique sur la surface avant du substrat de silicium de type P de façon à être située entre la couche de jauge à diffusion de type P et l'intérieur du substrat de silicium de type P pour recouvrir la couche de jauge à diffusion de type P, à l'exception de la zone correspondant à la partie 20 d'extrémité de la couche de jauge à diffusion de type P au niveau du côté de l'autre partie périphérique, et une couche de diffusion de type P (303) reliée électriquement à la seconde électrode (35b) équipe la surface arrière du substrat de silicium de type P. 25
9. Dispositif de détection de pression selon l'une
quelconque des revendications 4 à 8, dans lequel:
l'élément de transmission de pression (20) est disposé sur la surface avant du substrat de semiconducteur (30, 200, 300) 30 pour être face à la partie centrale, et la première électrode (35a) est placée de façon à être plus proche du côté de la partie périphérique que l'élément de transmission de pression et à être reliée électriquement à l'élément de transmission de pression par l'intermédiaire du 35 matériau adhésif conducteur (40).
10. Dispositif de détection de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le boîtier (10) présente des propriétés électriquement conductrices, et la 40 première électrode (35a) est reliée électriquement au boîtier par l'élément de transmission de pression (20), grâce à quoi la première électrode (35a) peut être reliée électriquement à l'extérieur.
11. Dispositif de détection de pression selon la revendication 10, dans lequel l'élément de transmission de pression (20) et le boîtier (10) sont équipés d'une couche conductrice présentant une résistance électrique inférieure à celle de l'élément de transmission de pression et du boîtier.
12. Dispositif de détection de pression selon la revendication 1, dans lequel le boîtier présente des propriétés électriquement conductrices, et le signal électrique fourni en sortie à partir de la première électrode est fourni en sortie à 15 l'extérieur par l'intermédiaire de l'élément de transmission de pression et du boîtier.
13. Dispositif de détection de pression selon la revendication 1, dans lequel le boîtier comprend une première partie (101) , une seconde partie (102) présentant une conductivité thermique plus petite que la première partie, et une partie de cloison électriquement conductrice (103), par l'intermédiaire de laquelle la première partie et la seconde partie sont séparées l'une de l'autre, le substrat de semiconducteur est logé dans la première partie (101) du boîtier, l'élément de transmission de pression est logé dans la seconde partie (102) du boîtier de sorte que la pression est transmise par l'intermédiaire de la partie de cloison à la 30 surface avant de substrat de semiconducteur, la première électrode (35a) du substrat de semiconducteur est reliée électriquement à la partie de cloison du boîtier, et l'élément de conducteur (50) et la seconde électrode (35b) du substrat de semiconducteur sont électriquement reliés l'un à 35 l'autre.
14. Dispositif de détection de pression selon la revendication 13, dans lequel la première partie (101) du boîtier (10) est formée d'un métal, et la seconde partie (102) 40 est formée d'un matériau de céramique.
15. Dispositif de détection de pression selon la revendication 13 ou 14, dans lequel l'élément de transmission de pression (20) présente une conductivité thermique plus petite que la première partie (101) du boîtier (10).
16. Dispositif de détection de pression selon la revendication 14, dans lequel l'élément de transmission de pression (20) est formé du même matériau que la seconde partie (102) du boîtier (10).
17. Dispositif de détection de pression comportant un substrat de semiconducteur (400) destiné à fournir en sortie un signal électrique conformément à une pression appliquée dans une direction le long de laquelle à la fois les surfaces avant et 15 arrière du substrat de semiconducteur sont espacées l'une de l'autre, un élément de transmission de pression (20) qui équipe le côté de la surface avant du substrat de semiconducteur et transmet une pression au côté de la surface avant du substrat de semiconducteur, et un boîtier (10) dans lequel le substrat de 20 semiconducteur et l'élément de transmission de pression sont logés, caractérisé en ce que le boîtier comprend une première partie (101), une seconde partie (102) présentant une conductivité thermique plus petite que la première partie, et une partie de cloison électriquement 25 conductrice (103) par l'intermédiaire de laquelle la première partie et la seconde partie sont séparées l'une de l'autre, le substrat de semiconducteur est logé dans la première partie (101) du boîtier, l'élément de transmission de pression est logé dans la 30 seconde partie (102) du boîtier de sorte qu'une pression est transmise par l'intermédiaire de la partie de cloison à la surface avant du substrat de semiconducteur, le substrat de semiconducteur comporte une première électrode (35a) sur sa surface avant et une seconde électrode 35 (35b) sur sa surface arrière, un signal électrique étant fourni en sortie depuis la première électrode et la seconde électrode lorsqu'une pression est appliquée, la première électrode du substrat de semiconducteur est électriquement reliée à la partie de cloison du boîtier, et un élément de conducteur (50) qui est électriquement indépendant du boîtier est logé au niveau du côté de la surface arrière du substrat de semiconducteur dans le boîtier, et l'élément de conducteur ainsi que la seconde électrode du 5 substrat de semiconducteur sont reliés électriquement l'un à l'autre.
18. Dispositif de détection de pression selon la revendication 17, dans lequel la première partie (101) du 10 boîtier (10) est formée d'un métal, et la seconde partie (102) est formée d'un matériau de céramique.
19. Dispositif de détection de pression selon la revendication 17 ou 18, dans lequel l'élément de transmission de 15 pression (20) présente une conductivité thermique plus petite que la première partie (101) du boîtier (10).
20. Dispositif de détection de pression selon la revendication 19, dans lequel l'élément de transmission de 20 pression (20) est formé du même matériau que la seconde partie (102) du boîtier (10).
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